Nosné konstrukce ze skla a dřeva

Rostoucí zájem o sklo jako konstrukční materiál vede k jeho uplatnění mimo jiné i v dřevěných konstrukcích, např. pro vnější fasádní prvky nebo sloupy či nosníky uvnitř budovy. Sklo je křehký materiál, ale dosahuje až šestkrát vyšší tuhosti než dřevo. Vhodnou kombinací obou těchto materiálů lze vytvořit takový kompozitní prvek, kde slabé vlastnosti jednoho materiálu (např. křehkost skla a nízká pevnost v tahu) lze vhodně doplnit vlastnostmi druhého materiálu (např. pevností dřeva v ohybu a duktilitou v tlaku).

Spojením skla a obecně jiného materiálu (nejen dřeva, ale také betonu, oceli, hliníku, příp. karbonových vláken) lze dosáhnout vyšší únosnosti i tuhosti transparentního prvku a především jeho bezpečného chování při porušení. Spoj dvou rozdílných materiálů je často řešen jako lepený. Vlastnosti lepidla v konkrétním spoji mají ale významný vliv na chování celého prvku pod zatížením a problematika lepení se tak stává zásadní pro správný a bezpečný návrh hybridních konstrukcí. Sklo-dřevěnými konstrukcemi se v současné době zabývá několik evropských univerzit a výzkumných center. Tento článek poskytuje základní přehled o výzkumných projektech zaměřených na hybridní sklo-dřevěné konstrukce včetně výsledků experimentální analýzy lepených spojů sklo – dřevo, která byla provedena na ČVUT v Praze.

Dřevo i sklo jsou materiály, které vynikají svými estetickými vlastnostmi a stále častěji jsou používány na pohledově exponované nosné konstrukce Proto je vhodné oba materiály spojit v transparentní kompozitní konstrukční prvek, který bude mít vyšší únosnost a tuhost při současném bezpečném chování po vzniku první trhliny ve skle. Toto řešení využívá rozdílných vlastností obou materiálu ke kompenzaci nevýhod jednoho materiálu výhodami druhého.

Materiály 

Sklo a dřevo
Sklo je homogenní, izotropní materiál, který především se vyznačuje svojí značnou tuhostí, vysokou pevností v tlaku a trvanlivostí. Mezi jeho další důležité vlastnosti patří transparentnost a hladký odrazivý povrch, díky kterým je velmi oblíbeným matriálem v současné architektuře. Sklo, pokud má být použito v nosném konstrukčním prvku, přináší řadu komplikací. Především jde o materiál s křehkým lomem – tedy nejedná se o materiál vykazující bezpečné chování pod zatížením. V případě dosažení meze pevnosti materiálu, dojde k velmi rychlému kolapsu nosného prvku a to bez předchozího varování (např. vytvořením trhlin nebo velkých plastických deformací). Za druhé, sklo je mimořádně citlivé na lokální koncentrace napětí. Z toho důvodu je důležité dbát na správný návrh všech přípojů a vyhnout se řešení, která způsobují koncentrace napětí. Dále je důležité zvolit vhodný typ skla, protože plavené sklo má vysokou pevnost v tlaku, ale pevnost v tahu je několikanásobně menší a je především ovlivňována množstvím mikroskopických trhlin (tzv. Griffithovy trhliny) na jeho povrchu. Ty souvisí s časovým faktorem a vznikají již během technologického procesu výroby skla, poškrábáním při manipulaci, při instalaci nebo údržbě. Relativně nízká pevnost v tahu omezuje použití plaveného skla a to zejména pro konstrukce namáhané ohybem nebo tahem. Proto se často používá sklo tepelně nebo chemicky tvrzené. Předpětí u povrchu tvrzeného skla zamezuje šíření trhlin a tak má takto upravené sklo vyšší pevnost v tahu než sklo plavené. Tvrzené sklo se ale při vzniku první trhliny okamžitě rozpadá do velkého množství malých střepů, proto konstrukce z toho typu skla nemají žádnou zbytkovou únosnost.

Vzhledem k tomu, že kolaps konstrukce ze skla je vždy náhlý bez předchozího varování, tradiční způsob návrhu používá jednak vysoké součinitele spolehlivosti a pak se navrhuje sklo vrstvené, kdy vnější tabule skla je uvažována pouze jako ochranná vrstva nosného jádra. 

Dřevo je anizotropní materiál s několikanásobně nižším modulem pružnosti než má sklo. Prvek ze dřeva může vhodně doplnit křehké sklo díky své pevnosti v tahu a duktilitě. Nezanedbatelnou výhodou dřeva v kompozitním průřezu je také možnost vnášení zatížení do prvku bez vytvoření koncentrací napětí v křehkém skle. Kombinací obou materiálů se tak zvýší únosnost i tuhost nosného prvku, dosáhne se bezpečného chování při porušení skla při současném zachování vysoké míry transparentnosti.

Lepený spoj
Vzhledem ke křehkému porušení skla, spoj sklo – dřevo nesmí vyvolávat nežádoucí koncentrace napětí ve skle. Hlavní výhodou lepeného spoje pro konstrukce ze skla je jeho schopnost přenášet zatížení rovnoměrně po délce spoje v závislosti na tuhosti a geometrii spoje. V současné době existuje mnoho druhů lepidel od různých výrobců, ale ti často nezveřejňují (a ani je často sami nemají) všechny materiálové charakteristiky, které jsou pro bezpečný návrh nosného lepeného spoje potřeba. Protože mechanické vlastnosti lepidla nelze určit jednou konstantní hodnotou pro všechny hladiny zatížení, jsou obvykle definovány na základě vztahu mezi napětím (velmi často smykovým napětím v závislosti na geometrickém uspořádání kompozitního průřezu a zatížení) a přetvořením vrstvy lepidla v konkrétním spoji.

Další nezbytná informace je chování lepeného spoje pod dlouhodobým zatížením či vliv okolního prostředí na vlastnosti spoje. Protože pevnost lepeného spoje je závislá nejen na vlastní kohezní pevnosti lepidla, ale také na adhezi lepidla k substrátu, porušení spoje může nastat třemi různými způsoby, viz obr. 1. V případě nedostatečné adheze lepidla k substrátu nastává adhezní porušení. Tento způsob porušení je nejméně žádoucí, protože nastává náhle a únosnost spoje je menší než kohezní pevnost lepidla. Ke koheznímu porušení dojde vyčerpáním pevnosti lepidla. Poslední způsob porušení může nastat porušením substrátu.

Experimentální analýza lepených spojů pro sklo-dřevěné konstrukce
V souvislosti s výzkumem hybridních konstrukcí ze skla proběhl na Fakultě stavební ČVUT v Praze rozsáhlý výzkum lepených spojů, [2]. Byly zkoušeny vlastnosti spojů zatížených smykem v kombinacích sklo – kov (ocel, nerez, hliník), sklo – sklo a sklo – smrkové dřevo. Použité dřevo na zkušební tělesa patřilo do třídy pevnosti C24, dle EN 338. Výzkum se zaměřoval především na lepidla polotuhá až tuhá, spoje sklo – dřevo byly zkoušeny s jedno-komponentním a dvoukomponentním polyuretanovým (PU) lepidlem a s dvoukomponentním akrylátovým lepidlem, viz obr. 2. Tloušťka vrstvy lepidla ve spojích byla 3 a 4 mm. Spoje s jednokomponentním PU dosahovaly únosnosti řádově 2,5 MPa, s dvoukomponentním 2 MPa. K porušení docházelo především porušením prvku ze dřeva v blízkosti spoje. Ačkoliv tato lepidla nejsou přímo určena na lepení dřeva, prokázala dostatečnou adhezi ke dřevu. Chování spoje pod zatížením je zobrazeno v pracovním diagramu spoje na obr. 3 a 4, kde je také patrný vliv tloušťky vrstvy lepidla na tuhost spoje.

Akrylátové dvoukomponentní lepidlo ve spojích sklo – dřevo dosahovalo průměrně pevností 2,6 MPa. Způsob chování spoje pod zatížením je zobrazen na pracovním diagramu na obr. 5. Při porovnání s pracovním diagramem jednokomponentního polyuretanu je patrné, že akrylátové lepidlo má vyšší modul pružnosti. K porušení spojů docházelo především kombinací porušení prvku ze dřeva a ztrátou adheze k povrchu dřeva, viz obr. 6.

Výzkum hybridních sklo-dřevěných konstrukcí

Nosníky ze skla a dřeva
Sklo-dřevěné nosníky jsou tvořeny stojinou z tabule plaveného skla a přírubami z dvojice dřevěných trámků [3], [5] nebo bloků s drážkou pro vložení skla a následné přilepení [7]. Koncept sklo-dřevěného nosníku je uveden na obr. 7. Horní tlačená příruba zajišťuje tuhost nosníku, příruba na tažené straně přebírá tahová namáhání. Takto lze dosáhnout optimálního využití obou materiálů. Pokud v tabuli z plaveného skla v místě maximálního napětí v tahu vznikne prasklina, při zatěžování se postupně dále šíří a rozvětvuje. Sklo není porušeno v jeden okamžik v celé ploše a je tedy do jisté míry schopno přenášet zatížení. Na pracovním diagramu nosníku, viz obr. 7 vpravo, je znázorněna únosnost nosníku do porušení stojiny a vliv dřevěných přírub na bezpečné chování po porušení. Rozdílem mezi únosnostmi v okamžiku vzniku první trhliny a celkovým kolapsem konstrukce je zbytková únosnost. Bezpečná konstrukce ze skla musí být schopná přenášet zatížení (vlastní tíhu a provozní zatížení) po dobu min. 48 hodin, tak aby porušený prvek mohl být vyměněn nebo zajištěn.

Na obr. 8 je znázorněno, jak zbytková únosnost konstrukce závisí na míře předpětí použitého skla, [3]. Čím větší míra předpětí (tvrzené sklo), tím se sklo tříští na větší množství střepů a tím klesá míra zbytkové únosnosti. Tabule plaveného skla ve stojině hybridní konstrukce má sice nejnižší únosnost, ale zbytková únosnost a tedy bezpečnost je nejvyšší.

Způsob spojení skleněné stojiny s přírubou je klíčovým prvkem celého systému, protože se v tomto místě realizuje přenos zatížení mezi oběma částmi průřezu. Spojení obou částí hybridního prvku je vhodné provést lepeným spojem. Ten v závislosti na druhu lepidla a geometrii spoje poskytuje jak dostatečnou pevnost a tuhost nutnou k zajištění spolupůsobení všech částí průřezu, tak poddajnost důležitou k roznesení napětí po celé ploše spoje. Tím je eliminován vznik míst s koncentracemi napětí, která jsou pro křehké sklo nežádoucí. Toto řešení navíc umožňuje vyrovnání rozdílných teplotních délkových roztažností obou spojovaných materiálů.

Materiál lepidla a jeho mechanické vlastnosti ovlivňují jak celkovou únosnost systému, tak také jeho chování pod zatížením. Pokud je zvoleno poddajné lepidlo, celková tuhost hybridního nosníku je menší a např. Cruz & Pequeno [5] ve své práci pozorovali větší pokles síly při dosažení únosnosti v okamžiku vytvoření první trhliny a také vytvoření menšího množství trhlin ve stojině z plaveného skla než při použití tuhého lepidla. Na obr. 9 je porovnání pracovních diagramů nosníků o rozpětí 3850 mm zatížených čtyřbodovým ohybem při použití poddajného silikonového lepidla, polyuretanového a polotuhého akrylátového lepidla ve spoji. Při použití lepidla s vyšším modulem pružnosti nosník vykazuje vyšší míru spřažení, skleněná stojina se poruší větším množstvím trhlin a pokles síly při postupném vytváření trhlin není tak výrazný. Lze říci, že takový nosník vykazuje více vyrovnaný mechanismus porušení [8].

Hotel Palafitte Neuchatel ve Švýcarsku
Mezi první realizace kompozitních sklo-dřevěných konstrukcí lze zařadit návrh střešních vazníků pro hotel Palafitte Neuchatel ve Švýcarsku. Hotel byl realizován v roce 2002 [3]. Vazníky přenášející neobvykle vysoké zatížení kvůli souvrství zelené střechy a sněhové oblasti, se skládají z vertikální tabule skla, ke které jsou z obou stran přilepené zesilující dřevěné profily tvořící rám, viz obr. 10. Protože horní příruby vazníků zůstaly schované v podhledu střešní konstrukce, střecha tak působí, že se vznáší nad budovou a skleněnou stojinou vazníků proniká do interiéru rozptýlené denní světlo.

Sklo-dřevěné kompozitní panely a tlačené prvky
Jiné významné práce se zaměřením na sklo-dřevěné konstrukce se zabývaly nejen hybridními nosníky, ale také kompozitními panely, které lze využít buď jako interiérové stěny, nebo i díky horizontálním dřevěným lamelám jako fasádní prvky s integrovanou pasivní solární ochranou [5], [6], [7] případně jako smykové stěny či tlačené prvky a sloupy [9].

Kompozitní sklo dřevěné panely vyvíjené na univerzitě Minho v Guimaraes v Portugalsku byly navrženy jako fasádní prvky, kde dřevěné lamely mají funkci pasivního solárního systému. Dřevěné lamely jsou přilepeny k plášti z vrstveného skla (případně izolačního dvojskla), které ztužuje dřevěnou konstrukci. Panely, které byly experimentálně zkoušeny jako desky o rozpětí 3200 mm a šířce 500 mm, při zatížení čtyřbodovým ohybem prokázaly vysokou únosnost i bezpečný způsob porušení, viz pracovní diagram na obr. 11b. K první trhlině docházelo v prvku ze dřeva a teprve následně ve skle, tedy užití skla v tomto typu konstrukce lze hodnotit jako velmi efektivní [6]. Následně byl tento koncept sklo dřevěných panelů navržen pro vyhlídkovou dřevěnou věž „Transportable Timber Tower“ na výstavu EXPO 2010 v Šanghaji, viz obr. 11c.

Oproti panelům s integrovanou pasivní solár-ní ochranou jsou např. ve Slovinsku (University of Maribor) nebo Švédsku (Linnealus University) řešeny sklo-dřevěné stěny přenášející svislé i vodorovné zatížení a současně umožňující maximální solární tepelné zisky. Tyto panely se skládají z dřevěného rámu a opláštění tabulemi ze skla, viz obr. 12.

Závěr
Hybridní konstrukce ze dřeva a skla jsou vhodným způsobem, jak využít pozitivních vlastností obou materiálů a tím eliminovat jejich nedostatky. K dosažení dostatečné únosnosti hybridní konstrukce je klíčový spoj mezi oběma materiály, který je výhodný provádět lepený. K bezpečnému návrhu je nutné znát chování spoje pod zatížením, vybrat vhodné lepidlo, zajistit dostatečnou adhezi k substrátu (která se liší v závislosti na vybraném lepidle a dle druhu dřeva ve spoji) a v neposlední řadě zohlednit při návrhu stárnutí spoje a účinky teplotního, cyklického a dlouhodobého zatížení.

KLÁRA MACHALICKÁ, PETR SEJKOT, MARTINA ELIÁŠOVÁ

Tento příspěvek rozšiřuje poznatky shrnuté v článku publikovaném na webu tzb-info.

Poděkování
Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu COST LD15078. 

Literatura:
1) PANTALEO, Antonio, Domenica ROMA and Achille PELLERANO. Influence of wood substrate on bonding joint with structural silicone sealants for wood frames applications. In: International Journal of Adhesion & Adhesives. 2012, 37: 121–128. ISSN: 0143-7496.
2) MACHALICKÁ, Klára a Martina ELIÁŠOVÁ. Lepené spoje pro nosné konstrukce ze skla. In: Konstrukce. 2012,11(4): s. 48–54. ISSN 1213-8762.
3) KREHER, Klaus, Julius NATTERER a Johannes NATTERER. Timber-glass composite girders for a hotel in Switzerland. Structural Engineering International. 2004, 14 (2): s. 149–151. ISSN 1016-8664.
4) Hotel Palafitte [online]. 2014 [cit. 2016-01-10]. Dostupné z: http://www.palafitte.ch/fr/-accueil-.html.
5) CRUZ, Paulo a José PEQUENO. Timber-glass composite beams: mechanical behaviour & architectural solutions. In: BOS, Freek, Christian LOUTER a Fred VEER. Challenging glass: Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Faculty of Architecture, Delft University of Technology, May 2008. Amsterdam, The Netherlands: Delft University Press, ©2008. ISBN 9781586038663.
6) CRUZ, Paulo a José PEQUENO. Timber-glass composite structural panels: experimental studies & architectural applications. In: BOS, Freek, Christian LOUTER a Fred VEER. Challenging glass: Conference on Architectural and Structural Applications of Glass, Faculty of Architecture, Delft University of Technology, May 2008. Amsterdam, The Netherlands: Delft University Press, ©2008. ISBN 9781586038663.
7) BLYBERG, Louise. Timber/Glass Adhesive Bonds for Structural Applications. Växjö, Švédsko, 2011. ISBN 978-91-86983-06-2. Dostupné také z: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:447937/FULLTEXT01.pdf. Linnaeus University, School of Engineering.
8) KOZLOWSKI, Marcin. Experimnetal and numerical analysis of hybrid timber-glass beams. Gliwice, 2014. Dostupné také z: http://delibra.bg.polsl.pl/Content/24131/Kozlowski_Marcin_phd.pdf. PhD thesis. Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering. Vedoucí práce Jacek Hulimka.
9) FADAI, Alireza a Wolfgang WINTER. Application of timber-glass composite (TGC) structures for building construction. In: Challenging glass 4: proceedings of the challenging glass 4. Boca Raton: CRC Press, 2014, s. 235–242. ISBN 978-1-138-00164-0.
10) BOŠTJAN, Ber, Miroslav PREMLOV, Andrej ŠTRUKELJ and Milan KUHTA. Experimental investigations of timber–glass composite wall panels. In: Construction and Buildings Materials. 2014. 66: s. 235–246. ISSN: 0950-0618. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.05.044 0950-0618.

Ing. Klára Machalická, Ph.D., (*1981)
vystudovala ČVUT v Praze, Fakulta stavební. Pracovala v ateliéru Omikron-K, později na ČVUT na Fakultě stavební a v Univerzitním centru energeticky efektivních budov jako vědecko-výzkumný pracovník. Nyní pracuje jako vědecko-výzkumný pracovník v Kloknerově ústavu ČVUT v Praze.

Ing. Petr Sejkot, Ph.D., (*1986)
vystudoval ČVUT v Praze, Fakultu stavební. Dříve pracoval jako CAD inženýr ve firmách JHP Mosty a ILF Prague později jako statik a projektant v Pragoprojektu Praha. V současnosti pracuje v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT jako vědecko-výzkumný pracovník.

Doc. Ing. Martina Eliášová, CSc., (*1964)
je absolventkou ČVUT, Fakulty stavební. Dříve pracovala v Kloknerově ústavu ČVUT jako vědecko-výzkumný pracovník (do r. 1995), nyní je docentkou na katedře ocelových konstrukcí na Fakultě stavební ČVUT.