Vývoj a použití dřevobetonových kompozitních prefabrikovaných dílců v pozemním stavitelství

Z hlediska perspektiv prefabrikovaných konstrukcí na tuzemském stavebním trhu jsou zajímavé statistické údaje, které sledují druh nosné konstrukce a podíl prefabrikovaných konstrukcí u nově dokončených bytů. V roce 2008 poklesl podíl montovaných bytových staveb na 3,8 % z celkových 22,5 % v roce 1997, avšak v roce 2012 vzrostl na 4,1 % [12]. V roce 2008 byl podíl nových bytů s dřevěnou konstrukcí 2,9 %, v roce 2012 je to 6,1 %, a u bytů nově dokončených 10 %. Na těchto statistických ukazatelích pro bytovou výstavbu je patrný současný trend zvyšujícího se podílu montovaných a polomontovaných dřevostaveb.

Zdá se, že tento způsob výstavby, resp. typ konstrukce, již překonal letitou nedůvěru tuzemských investorů. Významnou roli hraje také všeobecně proklamovaný trend trvale udržitelného rozvoje, který se promítá do všech oblastí výroby a společenské spotřeby. Stále vice investorů si dobrovolně, pod tlakem legislativních předpisů či veřejného mínění uvědomuje nutnost, resp. povinnost (v souladu s přijetím Nařízením EP a Rady Evropy č. 305/2011), deklarovat environmentální charakteristiky staveb a stavebních výrobků.
Jedním ze způsobů, jak vylepšit environmentální charakteristiky stavebního díla, je vhodné materiálové složení stavebních konstrukcí, např. použitím materiálů na bázi dřeva, které se vyznačuje pasivní uhlíkovou stopou. Konkrétním typem konstrukce, která má příznivé environmentálními, ale také technické a technologické vlastnosti, jsou kompozitní dřevobetonové konstrukce.
Princip dřevobetonové spřažené konstrukce spočívá ve vzájemném spojení betonové, resp. železobetonové desky, která je v konstrukci namáhána převážně tlakem, a dřevěného nosníku, který je namáhán převážně tahem za ohybu, resp. ohybem. Spojení obou částí průřezu je realizováno spřahovacími prostředky [6]. Tento způsob uspořádání konstrukce umožňuje několikanásobně zvýšit parametry únosnosti konstrukčního systému a současně podstatně snížit objem zabudovaného materiálu [2]. Je-li použit tento konstrukční systém např. pro realizaci stropu, je tuhost v horizontální rovině tak velká, že ji lze považovat za nekonečnou [2]. Tuhost v rovině je důležitá např. pro celkovou stabilitu stavebních konstrukcí, které jsou vystaveny seizmickým vlivům. Technologie spřažení dřeva a betonu se využívá také pro sanaci stávajících dřevěných stropních nebo mostních konstrukcí [5].
V současné době existuje mnoho způsobů spřažení dřeva a betonu [2,8]. Mezi nejčastěji používané spřahovací prostředky patří hřebíky, vruty a kolíky [7,13] (obr. 1).

Tento typ spřahovacích prostředků zajišťuje poddajný nebo polotuhý typ spřažení mezi dřevěnou a betonovou částí kompozitního průřezu [2]. Spřahovací prostředky, kterými lze dosáhnout tuhého spřažení, jsou např. vlepované vruty, kombinace mechanických spojovacích prostředků a profilace horního líce dřevěného nosníku, apod. Tyto tuhé spřahovací systémy jsou pro výrobu prefabrikovaných dílců nejvhodnější.
Mezi systémy s nejpříznivějšími tuhostními parametry patří zejména kontinuální vlepované spřahovací prostředky, např. vlepované ocelové lišty nebo příhradoviny. Příkladem kompozitního dřevobetonového prefabrikovaného systému, kde je spřažení průřezu zajištěno pomocí kontinuální vlepované ocelové lišty může být např. HBV-System [15] (obr. 2).

Tento kompozitní systém, primárně určený pro výrobu prefabrikovaných stropních a střešních dílců, byl vyvinut firmou HASSLACHER Holzzentrum Gmbh Austria. V současnosti je tato firma dodavatelem dřevobetonových kompozitních prefabrikovaných konstrukcí na mnoha zajímavých stavbách nejen v Evropě. Vývoj a testování konstrukčních prototypů probíhal v laboratořích MPA ve Wiesbadenu a Mnichově a nedávno byly publikovány výsledky tohoto rozsáhlého experimentálního programu [4]. Cílem výzkumu bylo, mimo jiné, prokázat vysokou účinnost tohoto typu spřažení. Současně s realizací experimentálního programu byla vyvinuta návrhová analýza, která je použitelná pro inženýrskou praxi.
Další systémy spřažení vhodné pro aplikaci v prefabrikovaných dřevobetonových prvcích byly vyvinuty na výzkumných pracovištích a univerzitách v Evropě, Kanadě, na Novém Zélandu [11] atd.
Na Fakultě stavební VŠB – Technické univerzity Ostrava byl vyvinut systém spřažení s vlepovanou kontinuální ocelovou lištou, který vykazuje velmi příznivé pevnostní a tuhostní parametry (srovnání parametrů viz tab.). Tento spřahovací systém byl aplikován v prototypech stropního konstrukčního prvku, tzv. Kombinovaném stropním nosníku vzor č. 19873. V tabulce jsou pro srovnání uvedeny parametry tuhosti (hodnota Modulu posunutí K_u) některých typů spřažení.

Tabulka: Srovnání různých typů spřažení se spřažením v Kombinovaném stropním nosníku – vzor č. 19 873

¹⁾ Maximální síla při porušení vzorku při smykové zkoušce dle ČSN EN 26891
²⁾ Maximální deformace v kontaktní spáře mezi dřevem a betonem při smykové zkoušce dle ČSN EN 26891
³⁾ K_u = 2/3 K_ser (K_U při 0,4 F_est a ν_0,4)

Zajímavou stavbou s uplatněnými dřevobetonovými prefabrikovanými stropními dílci je budova Life Cycle Tower ve Vídni, v současné době nejvyšší dřevostavba v Evropě (obr. 3, 4). Aplikace dřevobetonových prefabrikovaných stropních dílců v tomto objektu umožnila uvolnit dispozici, zrychlit výstavbu a uspokojivě vyřešit požadavky požární bezpečnosti.

V objektu byly použity hybridní dřevobetonové kompozitní prefabrikáty HBV – Decke. Kompletizované stropní prefabrikované dílce měly šířku 2,7 m a délku 8,1 m. Dřevěná část spřaženého profilu měla rozměry 240/280 mm, železobetonová část spřaženého profilu měla tloušťku 80 mm [9].
S celkovou plochou kancelářských prostor 10 400 m² je osmipodlažní Life Cycle Tower do- -sud největší realizací tohoto typu hybridní dřevobetonové konstrukce v Evropě.

JANA DAŇKOVÁ, JIŘÍ ŠAFRATA

Poděkování:
Tento článek byl finančně podpořen projektem SP2011/203 a finančními prostředky institucionální podpory VaV 2012 na VŠB – TU Ostrava FAST.

Literatura:
1) Bathon, L. A. a P. Clouston. Experimental and numerical results on semiprestressed wood-concrete composite floor systems for long span applications (přístupné na: http://www.ewpa.com/Archive/2004/jun/ Paper_058.pdf).
2) Ceccotti, A.: Composite concrete – timber structures. Prog. Struct. Engng. Mater. 2002, 4/264–275.
3) Deam, B. L. a M. Fragiacomo, A. H. Buchanan. Connections for composite slab and LVL flooring systems. Materials and Structures, 2008, 41. p. 495–507.
4) Dias, Alfredo M.P.G. a Luís F. C. Jorge. The effect of ductile connectors on the behavior of timber – concrete composite beams. Engineering Structures, 2011 (do 06/2011 dostupno na: www.sciencedirect.com).
5) Flach, M. a C. D. Frenette. Wood-Concrete-Composite-Technology in Bridge Construction (přístupno na: http://www.ewpa.com/ Archive/2004/jun/Paper_115.pdf).
6) Koželouh, B. Dřevěné konstrukce podle Eurokódu 5, STEP 2. Praha: Informační centrum ČKAIT, 2004.
7) Kuklík, P. a A. Kuklíková. Smíšené konstrukce ze dřeva, betonu a oceli. Inženýrská komora 2005, ČKAIT, 03/2005, s. 43–46. Registrováno: MK ČR E 15660
8) Lukaszewska, E., H. Johnsson a M. Fragiacomo. Performance of connections for prefabri-cated timber–concrete composite floors. Materials and structures, 2008, 41.9: 1533–1550.
9) Pöschl, W. Essay Holz und Beton. Zuschnitt 45 Vol. 45, 2012, pp. 4–5.
10) Rogers, C. C., R. M. Gutkowski et al. Load tests of large wood-concrete beams. Colorado State University, USA. December 2004 (přístupno na: www.sciencedirect.com v 03/2011).
11) Y eoh, D. – Fragiacomo, M. – Deam, B.: Experimental behavior of LVL-concrete composite floor beams at strength limit state. Engineering Structures Vol. 33, 2011, pp. 2697–2707.

Elektronické zdroje:
12) czso.cz
13) asb.sk
14) creebyrhomberg.com
15) hbv-systeme.de
16) spillner-ssb.de

Ing. Jiří Šafrata (*1959)
absolvoval VUT v Brně, Fakultu stavební v roce 1984. Zaměřuje se na poradenství a technologický servis pro navrhování receptur betonu, zvláště betonů speciálních. V současné době vykonává funkci vedoucího laboratoře pro navrhování a zkoušení betonu. Současně působí na Fakultě stavební VŠB-TU Ostrava jako odborný asistent.

Ing. Jana Daňková, Ph.D., (*1965)
absolvovala VUT v Brně, Fakultu stavební v roce 1988. Vykonává odbornou činnost autorizovaného inženýra pro pozemní stavby. V současné době působí jako odborná asistentka na Fakultě stavební VŠB-TU Ostrava.