Statika dřevěných konstrukcí staveb

Předmětem následujícího článku nebudou zásady statických výpočtů ani vlastní statický výpočet jednotlivých konstrukcí, ale zaměřím se v něm spíše na nejčastější chyby, vyplývající z nesprávného statického výpočtu anebo nesprávného provedení prací dle správného statického výpočtu.

Jako každá lidská činnost, tak i stavebnictví prochází vývojem. Za léta používání dřeva jako konstrukčního materiálu jsou stále zkoumány a upřesňovány jeho vlastnosti, aby bylo jeho využití co nejlepší a nejefektivnější.

Také z původních konstrukcí, které byly mnohdy stavěny systémem pokus omyl, vyplynuly nejprve empirické profily, později vzorce pro použití dřeva jako nosného materiálu. V druhé polovině minulého století, po nástupu éry počítačů, pak byly tyto vzorce upřesňovány a doplňovány až do současné podoby, kdy vznikly a vznikají celoevropské normy pro výpočty a používání dřeva jako stavebního materiálu.

Je nutno říci, že v současné době používané řezivo je kvalitativně jiné, než bylo před několika stoletími, kdy stromy rostly pomaleji a používané dřevo bylo ještě před zabudováním do konstrukce zhodnoceno plavením a přirozeným vysušením, rovněž systém opracování (otesání) byl vhodnější než současné řezání, mnohdy přes léta. Všechny tyto vlivy se projevují i při tvorbě norem pro použití dřeva, které se stále zpřísňují. Ovšem nezpřísňují se jenom proto, že by byl horší základní materiál, ale zhoršuje se i kvalita zpracování jak při výrobě řeziva, tak hlavně při konečném zpracování, to jest při zabudování do konstrukce. Při zpracování nejsou dodržovány základní parametry norem – počínaje vlhkostí řeziva, nedodržováním předepsaných profilů, nedostatečným výběrem dle kvalitativních tříd (sukovitost, obliny, trhliny a zakřivení) a konče detaily spojů – špatně provedenými (mnohdy i navrženými) tesařskými spoji, použitím nevhodných spojovacích materiálů, nedodržením roztečí spojovacích materiálů apod.

 

Rovněž tak i se zvyšujícími se vědomostmi o působení přírodních sil (například zatížení sněhem, seismická činnost apod.) se zvyšují bezpečnostní požadavky na konstrukce. To se projevilo změnou sněhových oblastí a změnou základní tíhy sněhu v jednotlivých oblastech po předloňské zimě, kdy došlo k destrukci nebo poškození mnoha objektů, i když lze konstatovat, že dřevěné konstrukce v této zimě obstály.

Také evropské zatěžovací normy používají vyšší součinitele pro jednotlivá stálá i nahodilá zatížení, než byly u bývalých ČSN. Celkově se mění stavební materiály a použití těchto materiálů ovlivňuje používání i tak tradičního materiálu, jakým je dřevo. Je to otázka používání desek na bázi dřeva, sádrokartonu, sádrovláknitých materiálů, izolačních materiálů, fólií, materiálů pro úpravy povrchů, které je nutno zakomponovat do konstrukce se znalostmi jejich vlastností tak, aby ve skladbě konstrukce nedocházelo ke kondenzaci vodních par nebo nedocházelo k zatékání do konstrukce, jež v důsledku mají vliv i na statiku správně navržené nosné konstrukce.

V této obecné části chci ještě připomenout základní vlastnosti a zásady pro dřevěné konstrukce:

● únosnost dřeva ve směru vláken je zhruba čtyřikrát větší než kolmo na vlákna,

● pevnost dřeva v ohybu se zvětšuje s druhou mocninou výšky, je tedy vhodný profil osazený na výšku,

● průhyb dřevěné konstrukce se snižuje se třetí mocninou výšky průřezu (u málo zatížených konstrukcí většího rozponu je vhodné používat převýšené profily).

 

Střešní konstrukce lze u dřevostaveb rozdělit do tří základních skupin, a to:

1. krovové konstrukce;

2. vazníkové konstrukce;

3. konstrukce z lepeného lamelovaného dřeva.

 

 

Krovové konstrukce jsou vhodné pro objekty menších rozponů nebo tam, kde je požadavek využití podstřešního prostoru. Ve velké míře jsou stále profily jednotlivých prvků konstrukce navrhovány dle zkušeností. Ovšem je nutno vzít v úvahu, že většina využitelných prostor bude doplněna podhledem a řádnou tepelnou izolací, což přidá k tíze střešního pláště tíhu cca 0,4–0,5 kN/m², a se změnou sněhových oblastí většinou oproti původním předpokladům empirických profilů dochází k většímu zatížení sněhem. Problém je v tom, že profily jsou sice navrženy dle letitých zkušeností, ale v konstrukci chybějí některé prvky – například vzpěrky u vaznic. V tom případě i při běžné vzdálenosti plných vazeb nemohou zásadně vyhovět „empiricky stanovené“ profily vaznic. Dle mých zkušeností v současné době nevyhovuje normě převážná většina empiricky navržených vaznic, běžné krokve jsou většinou předimenzované (projektant zvyšuje výšku s ohledem na vkládanou tepelnou izolaci) a nároží jsou opět poddimenzovaná. Změna profilu nároží oproti běžné krokvi o jeden šířkový modul při 1,41násobném zvětšení rozpětí je nedostatečná, zvláště u krovu s jednou mezilehlou vaznicí, umístěnou blíže k pozednici, pokud není vrcholová vaznice, takové nárožní krokve nevyhoví.

Chyby mohou nastat i při navržení a osazení vzpěrek. Z prohlídek hotových krovů se vzpěrkami mi připadá, že většina dodavatelů krovu si myslí, že vzpěrka je pouze dekorativní prvek, protože připevnění dvěma hřebíky bez začepování je pouze konstrukční a nikoliv nosný spoj (v každém nosném spoji musí být alespoň čtyři hřebíky nebo vruty). Doporučuji vždy tuto konstrukci dimenzovat, při již uvedeném zvýšení zatížení vznikají ve vzpěrkách velké síly (u rodinného domu o rozponu 8 m s hřebenovou vaznicí se vzpěrkami, při podepření sloupy po 4 m, zatížení sněhem 1,0 kN/m² a podhledem je síla ve vzpěrce cca 60 kN, což by představovalo při připevnění hřebíky f 4 mm 84 hřebíků! Přitom na sloupku je záporná podporová reakce, kterou je nutno opět respektovat, a vyřešit detail připevnění). Vzpěrky pod vaznicemi mají význam i pro vyztužení krovu v podélném směru od účinků větru na štíty objektu. Při dimenzování vaznic se vzpěrkami je nutno tuto sílu vnést do konstrukce. V případě osazení vaznic bez vzpěr je nutno pro zabezpečení stability krovu provést zavětrování v rovině střešní.

Další problematický detail je spojení kleštin s krokví. Běžné spojení jedním svorníkem f 16–20 mm nevyhovuje – norma předepisuje minimálně dva svorníky v nosném spoji. Ani výpočtově tento spoj nevyhovuje při větším rozponu kleštin a jejich zatížení podhledem a užitným zatížením.

Vhodným řešením je použití hmoždinek BULDOG se svorníkem. Tyto hmoždinky mají podstatně vyšší výpočtové pevnosti než svorníky. (V SRN není povolen spoj pouze pomocí svorníků.)

Při kotvení krovu je většinou uvažováno, že svislou složku reakce přenese kontaktní spoj, vodorovná složka pak je přenesena vhodným spojovacím prostředkem. Je důležité, aby nebyl přikotven pouze krov k pozednici, ale i pozednice k pozednímu věnci. Kotvení pozednic masivním pásovým železem do stropní konstrukce není na stavbách prakticky vidět, a potom je tedy vhodné mít kotvení opět dimenzované. Je důležité, aby bylo projektantem jasně stanoveno statické schéma konstrukce, to jest, zda je krov osazen jako prostý nosník s kloubem na jedné a posuvem na druhé straně, nebo jako kloubový s klouby na obou stranách, což se velmi často používá hlavně u hambalkových krovů.

Při kloubovém uložení vznikají poměrně veliké vodorovné reakce a je na statikovi, aby doložil přenesení těchto reakcí do nosné konstrukce objektu (většinou nestačí přenesení do věnce půdní nadezdívky, která není na délku objektu kotvená). To se týká zejména objektů dřevostaveb, pokud není panelová stěna vcelku až pod pozednici a je pouze pod strop a pod pozednicí je stěna od stropu, tato funguje většinou jako kyvná stojka a není schopná přenést prakticky žádné vodorovné zatížení. V takovém případě je nutno zakotvit tuto stěnu do příčných stěn a na vnesenou vodorovnou sílu dimenzovat horní paždík stěny, nebo změnit statické schéma krovu tak, že vodorovné síly od krovu jsou přenášeny vaznicemi opět do výztužných stěn v podkroví.

V současné době se pro požadavek větší výšky krokví používají jako krokve I-nosníky kombinované z pásnic dřevěných a stojin z desek na bázi dřeva. Statické problémy u těchto nosníků jsou shodné jako u konstrukcí z rostlého dřeva, navíc je nutno při návrhu zohlednit únosnosti těchto prvků v ohybu a ve smyku a velice zodpovědně stanovit detaily všech spojů.

V poslední době se začíná ve zvýšené míře používat konstrukční dřevo KVH. Je to kvalitní materiál, který splňuje požadavky vstupního materiálu pro výrobu.

Při posuzování krovu z hlediska použitelnosti (průhyby) je nutno brát ohled na využití podkrovního prostoru. Nelze tedy použít normou povolený průhyb krokve a vaznice L200 rozpětí při využití krovu jako nosné konstrukce podhledu, ale uvažovat průhyby L300 nebo L350 při použití podhledu bez omítky, resp. s omítkou.

 

Vazníkové konstrukce se používají pro větší rozpony střešních konstrukcí hlavně tam, kde není požadavek na využití půdního prostoru. Vazníkovou konstrukci lze navrhnout i pro podkrovní objekty, zde je většinou zapotřebí nosnou konstrukci doplnit ještě vnitřní podporou. V současné době je většina dřevěných příhradových vazníků navrhovaná jako vazníky se styčníkovými plechy. Tyto konstrukce jsou použitelné až do 30 m rozponu. Mimo tyto vazníky jsou ojediněle používány vazníky sbíjené – většinou pro menší rozpětí, nebo naopak pro větší rozpětí příhradové konstrukce s pásnicemi a diagonálami z lepených lamelovaných prvků a styčníky z ocelových prvků různých tvarů.

U vazníků jsou všechny profily i spoje dimenzované, na dimenzování existují velmi kvalitní softwarové programy. Problémy nejsou většinou ve výrobě, protože tyto vazníky vyrábějí certifikované firmy, zásadní nedostatky jsou však při montáži vazníků. To se projevilo i ve zmiňované předloňské zimě ne sice destrukcí, ale velmi často nadměrnou deformací konstrukce.

Pro větší rozpony jsou vazníky vzhledem k přepravě vyráběny a na stavbu dodávány v polovinách nebo i po menších částech. Spoje musí být dimenzované. Nejčastějšími chybami na stavbě jsou nedodržení předepsaného počtu spojovacích prvků a nedodržení roztečí spojovacích prvků. Další chybou bývá nepřesné založení profilu spojované konstrukce, při kterém vznikají mezi spojovanými díly nepřípustné mezery, což má za následek nadměrný průhyb konstrukce.

Kotvení vazníků je v současné době prováděno pomocí kotevních prvků, které se kotví do věnců pomocí ocelových segmentových kotev (otvory pro kotvy jsou vrtány při montáži). U větších rozponů je nutno respektovat provedení posuvného uložení – například firma BOVA dodává pro tyto účely kluzné kotvy. Při nesprávném zadání statického schématu do výpočtu může dojít k destrukci konstrukce. Například při zadání kloubového uložení na obou stranách nosníku jsou horní pásnice vazníku namáhány podobně jako klenba, spodní konstrukce pak je namáhána minimálně. V podporách vznikají poměrně velké vodorovné reakce, které musí kotvení přenést do svislé nosné konstrukce a tato do základů. Svislá nosná konstrukce musí být na tyto síly dimenzovaná i co se týče deformace v uložení vazníků. Při větší povolené deformaci se svislá podpora vlastně chová podobně jako kyvná stojka, umožňující posuv podporového styčníku a v tomto případě dojde k přetížení spodní pásnice, hlavně v místech nastavení a následně k destrukci nebo poškození konstrukce.

Pro vazníkové konstrukce musí být přesně stanoveno jejich podepření. Pokud se týká vnitřních podpor, situují se do míst styčníků, aby nedocházelo k přetížení spodní pásnice smykovým namáháním. Zásadně nesprávné je podepření v místě, kde s ním nebylo uvažováno ve statickém výpočtu. Myslím tím například podepření vazníku, který byl navržen jako prostý nosník se dvěma podporami, vnitřní podporou. Tato podpora totiž zásadně změní průběhy vnitřních sil na konstrukci, původně tažené konstrukce mohou být tlačené (a nejsou dostatečně vyztužené na vybočení) a hlavně se změní síly ve styčníkových spojích, jejichž spojovací prostředky na to nejsou dimenzované. Pokud tedy ve statickém schématu není s vnitřní podporou uvažováno, je nutné vnitřní konstrukce (nosné konstrukce i příčky) provést nižší a umožnit deformaci vazníku vhodnou dilatací.

Vazníky jsou vesměs velmi subtilní konstrukce. Z toho vyplývá potřeba vyztužení jejich tlačených částí. Pokud se jedná o tlačené horní pásnice, je nutno provést zavětrování v rovině střešní, které má funkci jednak vyztužení tlačené pásnice, jednak vyztužení proti účinkům větru na konstrukci. V případě podepření vazníků vnitřními podporami je velmi často tlačená spodní pásnice, a je ji tedy nutno vyztužit. U vyztužení horní pásnice spolupůsobí s větrováním nosná konstrukce pod střešní plášť (latě, bednění), u spodní pásnice je nutno jednotlivé vyztužované pásy propojit výztužnými prkny, pokud nelze využít roštu nebo desek podhledu. Mimo tlačené pásy je u vazníků větších rozměrů třeba vyztužovat i dlouhé tlačené diagonály. Pokud se jedná o více vazníků, je vhodné vyztužení provést podélnými výztužnými prkny, která je nutno opět zavětrovat, nebo v případě jednotlivých vazníků řešit vzpěr diagonály příložkou nebo jednotlivým zavětrováním. Vyztužení tlačených pasů a zavětrování proti účinkům větru je nutno dimenzovat! Právě absence zavětrování v rovině střešní a vyztužení tlačených diagonál byla příčinou deformací konstrukcí (vybočení ze svislice) u konstrukcí větších rozponů při zvýšeném zatížení sněhem.

Konstrukce z lepeného lamelovaného dřeva jsou využívány hlavně pro větší rozpony střešních konstrukcí nebo pro konstrukce interiérové.

Výhodou těchto konstrukcí je výroba z kvalitního vytříděného řeziva předepsané vlhkosti a s možností vytvoření zakřivených konstrukcí – oblouků, hokejek a podobně. Z lepeného lamelového dřeva jsou vyráběny i příhradové konstrukce pro velké rozpony. Nevýhodou konstrukcí je jejich vyšší cena. Proto se z lepených lamelovaných prvků provádějí nejčastěji základní nosné konstrukce, doplněné prvky řezanými (KVH) nebo příhradovými.

Pokud se týká choulostivých detailů, jsou pro tyčové prvky podobné jako pro krovové konstrukce a pro příhradové jako pro příhradové vazníky.

Stropní konstrukce jsou u dřevostaveb prováděny jako trámové, respektive fošnové konstrukce. V případě vazníkových střech tvoří nosnou konstrukci podhledu spodní pásnice vazníku. Stropní konstrukce musí splňovat požadavky nejen statické, ale i požadavky stavební fyziky, týkající se tepelné izolace, zvukové izolace a požární ochrany. Na skladbu konstrukcí je více názorů a statiky se tato problematika dotýká hlavně zatížením, vnášeným do nosné konstrukce.

Jako materiál pro stropní trámy mohou být použity fošny nebo trámy z rostlého dřeva, KVH nebo lepených lamelových nosníků, I-profily nebo skříňové profily s dřevěnými pásnicemi a stojinou z desek na bázi dřeva, speciální nosníky s dřevěnými pásnicemi a stojinami z diagonálních ocelových profilů apod. Pro větší rozpony objektu je nutno stropní konstrukci osadit na vnitřní nosné konstrukce nebo na průvlaky. Průvlaky pak mohou být v závislosti na rozponu a zatížení z rostlého dřeva, KVH, lepeného lamelovaného nosníku nebo ocelového nosníku.

Statický výpočet stropní konstrukce musí prokázat, že navržené prvky vyhovují z hlediska únosnosti a použitelnosti (deformace). Mnohdy se zapomíná při posouzení únosnosti na smyková namáhání, při zatížení velkým osamělým břemenem většinou dřevěné konstrukce nevyhoví. Velmi důležité je rovněž posouzení úložné délky trámů. Při nerespektování požadované úložné délky dochází k překročení napětí a k nadměrné deformaci konstrukce.

Velkou pozornost je třeba věnovat detailu uložení například sloupku vaznice na stropní konstrukci. Uložení je nutno posoudit na napětí kolmo na vlákna.

Konstrukce stěn a stabilita objektu:

V současné době se většina svislých nosných konstrukcí provádí jako rámová konstrukce se svislými sloupky a s horním a spodním paždíkem. Ze statického hlediska je systém provádění na stavbě (systém 2×4) nebo paneláže ve výrobě prakticky shodný, u panelové stavby je navíc montážní spoj panelů. Další skupinou staveb jsou stavby skeletové a stavby z masivního dřeva.

Dále se budu zabývat pouze stavbami s rámovými konstrukcemi, stavby skeletové a z masivního dřeva jsou specifické a statika je odlišná.

Stěny rámové konstrukce se používají jako obvodové a vnitřní nosné konstrukce, použití jako nenosné výplňové stěny je stále časté, ale v poslední době jsou výplňové stěny prováděny jako sádrokartonové nebo sádrovláknité s vlastní nosnou konstrukcí. Stěny mají většinou sloupky i paždíky shodného průřezu, který je limitován jednak statickými požadavky, jednak minimálními profily – šířky z hlediska vkládané tepelné izolace a tloušťky z hlediska připevnění plášťových materiálů. Profil je zároveň velmi důležitý z hlediska požární bezpečnosti. Z hlediska statiky vyhovují sloupky od šířky 100 mm pro vnější konstrukce a od šířky 80 mm pro vnitřní konstrukce. Tloušťka sloupků je závislá na minimální vzdálenosti spojovacích prostředků od krajů dřeva a od krajů desek opláštění (při nastavování plášťových materiálů na sloupku) a na dostatečné ploše pro zakotvení panelů do podkladní nosné konstrukce.

Únosnost svislé stěny je daná únosností sloupků, paždíků a překladů. Únosnost sloupků je při běžné výšce stěny a zabezpečení vyztužení šířky sloupku v podélném směru panelu limitována únosností v otlačení – styk sloupku s paždíkem. Únosnost horního paždíku je nutno stanovit podle osové vzdálenosti sloupků a vnášeného zatížení. Při vhodném konstrukčním uspořádání, kdy pod osamělými břemeny (např. stropními trámy) jsou vždy osazeny sloupky, není únosnost horního paždíku limitující.

Překlady ve stěnách lze řešit zásadně dvěma způsoby. V prvním případě je horní paždík nadimenzován tak, aby přenesl vnášené zatížení, a posouzeny jsou krajní sloupky vedle otvoru, paždík nad otvorem je pouze konstruktivní a slouží k orámování otvoru, alt. k připevnění výplně. Tento způsob je vhodný u stěn s velkým množstvím menších otvorů. Ve druhém případě je horní paždík minimální a pod horním paždíkem je osazen překlad na samostatných sloupcích – používá se u stěn s menším počtem větších otvorů.

Nejčastějším problémem u stěn je osazení sloupků vaznic na strop, který je osazen na panelové stěně. Při osazení je nutno posoudit napětí kolmo na vlákna a stanovit potřebnou úložnou plochu. Zároveň je nutno vzít v úvahu příčné sesychání dřevěné konstrukce z rostlého dřeva. Sečtením deformací od seschnutí stropních trámů a otlačení v místě osazení více zatíženého sloupku vznikne posun, který se velmi často projevuje v úrovni stropních konstrukcí na štítech objektu deformací fasádních prvků.

Stabilita objektu je u dřevostaveb rámové konstrukce zajišťována nejčastěji tuhými deskami v rovinách stropu a ve stěnách.

Rámová konstrukce stěn je opláštěna deskovým materiálem, který ze stěnové konstrukce vytvoří tuhou desku. Druh deskového materiálu je stanoven podle fyzikálních parametrů stěny. Každý deskový materiál má jiné statické hodnoty a při dimenzování je nutno stanovit jeho tloušťku a připevnění. Nejčastěji se jako staticky nosné pro stabilitu stěn používají desky OSB a sádrovláknité desky. Pro běžné objekty stačí jednostranné opláštění nosnou deskou, u některých objektů je nutno provést opláštění oboustranné. Výpočet stability objektu by měl být vždy součástí statického výpočtu dřevostavby.

U dřevostaveb se samostatnou stropní konstrukcí je tedy řešena stabilita provedením tuhé desky v rovině stropu. Tato deska pak přenáší veškeré vodorovné zatížení od střešní konstrukce a stěn do svislé konstrukce – výztužných stěn. Toto celkem bez problémů vyhovuje, je nutno dodržet zásady vytvoření tuhé desky ve stropní konstrukci vzájemným spojením desek, jejich připevněním ke stropním trámům a připevněním stropních trámů k nosné stěně. Musí být zajištěno spojení desky se stěnou i v místě uložení stropních trámů – většinou se řeší přes vložky mezi stropními trámy v uložení.

U vazníkové konstrukce není většinou možno provést tuhou stropní desku. Pak je nutno dimenzovat horní paždíky stěny, na které jsou uloženy vazníky, na přenesení vodorovných sil od střechy i stěny do výztužných stěn. To lze provést pro omezenou vzdálenost výztužných stěn. V případě požadavku na volný prostor je nutno provést vyztužení podélné stěny vodorovným nosníkem. Jedna možnost je provést vodorovný nosník po spodní pásnici vazníků, kde jako jeden pás předpokládáme horní paždík stěny a druhý pás vytvoříme vložením pásnice na spodní pás vazníku. Mezi tyto pásnice pak je provedena příhradovina z prken nebo fošen – záleží na rozponu a zatížení. Druhá možnost je osazení vyrobeného příhradového vazníku, nadimenzovaného na uvedené zatížení, jednou pásnicí na stěnu, druhá pásnice pak je vyvěšena na střešních vaznících.

V praxi jsem se setkal několikrát s projektem halového objektu délky cca 20 m, kde střešní vazníky byly osazeny na podélné stěny a vyztužení stěny nebylo žádné. U jednoho zákazníka jsem se setkal s podobným problémem, když mu takováto konstrukce již dvakrát spadla a on nevěděl proč.

 

 

Stabilitou jsem se zabýval u objektů s rámovou konstrukcí stěn, proto ještě stručně ke kotvení. Při výpočtu stability jsou vypočteny síly, které musí kotevní prvek přenést do základů. Otázka je, jaký způsob je vhodný.

Stavby s osazovaným spodním rámem, na který je pak stavěna stěna, jsou většinou kotveny ocelovými rozpínacími kotvami přes spodní rám. U tohoto kotvení vznikají dva problémy, jednak je při vrtání děr a osazování kotev poškozena hydroizolace, kterou lze velmi problematicky opravit, jednak jsou kotvy velmi blízko hrany betonového prvku a hrozí odštípnutí a tím i snížení pevnosti kotvy (pevnost kotvy je redukovaná dle vzdálenosti od kraje prvku, do kterého kotvíme). Stěna pak musí být připevněna ke spodnímu rámu na uvedené síly.

Druhý způsob je kotvení pomocí různých úhelníků, které jsou do podkladního betonu kotveny rovněž ocelovými rozpínacími kotvami, ale kotvy jsou umístěny dál od kraje betonového prvku a případné poškození hydroizolace se dá snadno opravit. Nevýhoda tohoto řešení je pro stavby z kompletizovaných panelů v tom, že úhelníky zasahují až do prostoru opláštění.

Jinak je způsobů kotvení celá řada.

 

Ve svém příspěvku jsem se zabýval pouze nejčastěji používanými systémy výroby dřevěných konstrukcí a poukázal na problémy, se kterými jsem se setkal ve své praxi. Dle mého názoru je nezbytné na každou novou dřevostavbu zpracovat statický výpočet, na atypické úpravy opakovaných projektů pak posouzení změn.

ANTONÍN HONČÍK