Dřevěné konstrukce pro nosné střešní systémy

Dřevo náleží k tradičním a běžně používaným stavebním materiálům. Jak je zřejmé, jeho současné využívání v různých typech stavebních konstrukcí výrazně narůstá.

Důvody  tohoto trendu lze spatřovat v příznivých mechanických a konstrukčních vlastnostech dřeva, v uplatňování nových typů spojů a materiálů na bázi dřeva a zejména v tom, že dřevo je přírodním, ekologickým a obnovitelným materiálem. Podstatný je rovněž zvýšený zájem architektů a investorů o realizaci dřevěných konstrukcí, který bude zřejmě narůstat.

Vhodný materiál

Z hlediska volby nosného systému je rozhodující geometrický tvar zastřešovaného půdorysu objektu a předpokládaný tvar střešní plochy. Kromě střešních konstrukcí vytvořených nad základním obdélníkovým půdorysem se ve větší míře používají systémy pro zastřešení nepravidelných, případně i zakřivených půdorysů. Obvyklé tvary střech domů a obdobných objektů jsou vytvořeny z rovinných ploch. Zakřivené střešní plochy se běžně vyskytují u konstrukcí sportovních, výstavních a víceúčelových hal, pavilonů i dalších typů objektů. Dřevo je velmi vhodným materiálem pro střešní konstrukce všech druhů, včetně konstrukcí velkých rozpětí a složitých geometrických tvarů. Potvrzují to nejen konstrukce současné, ale i historické, které patří ke kulturnímu dědictví zemí. V rámci příspěvku jsou charakterizovány některé konstrukce, které souvisejí s tématem tohoto článku.

Mezinárodní projekt

V roce 2006 byl uzavřen mezinárodní projekt „Rescuing hidden European wooden religious heritage” zaměřený na historickou, architektonickou a konstrukční analýzu vybraných evropských dřevěných kostelů, na kterém se podílel kolektiv pracovníků Fakulty stavební VUT v Brně.

Na území ČR bylo vybráno šest kostelů v oblasti Beskyd, přičemž hlavním předmětem průzkumu a vyhodnocení byl dřevěný kostel sv. Antonína Paduánského na Prašivé z roku 1640. Výzkum byl zaměřen k analýze celkového stavu dřevěné konstrukce střechy, stropu a roubených nosných stěn kostela. Jeho krov je v některých částech degradován činností dřevokazného hmyzu (tesaříkem krovovým a červotoči). Jedná se o mělké poškození sahající do hloubky do 30 mm. Napadení hmyzem je nejvíce patrné v horních částech krovu, která vykazují zvýšené hodnoty teplot příznivějších pro jeho vývoj. Obecně lze konstatovat, že stav nosné konstrukce krovu není v havarijním stavu, ale bude vyžadovat lokální sanaci narušených nosných prvků.

Pro rodinné a bytové domy

Velký rozvoj ve stavebnictví zaznamenává oblast dřevěných staveb pro účely bydlení. Jedná se o různé typy rodinných a bytových domů, které jsou navrhovány architektonickými ateliéry a realizovány řadou specializovaných firem. Střešní konstrukce těchto domů je zásadním funkčním a konstrukčním útvarem. Do této kategorie staveb patří také domy s obyvatelným podkrovím, včetně domů patrových, které byly postaveny v období 1995 až 2006 (typy Martina, Vega, Marcela podle architektonického a dispozičního návrhu prof. J. Myslína) v různých modifikacích v ČR i v zahraničí.  Pro střešní konstrukci byl ve většině případů použit hambalkový systém s posuvným nebo neposuvným hambalkem, který byl současně uplatněn jako stropní nosník pro konstrukci mezistropu obyvatelného podkroví. Využití tohoto podkrovního prostoru se potvrdilo, také dle názoru uživatelů domů, jako velmi efektivní. Příkladem jednoho z realizovaných typů je dřevěný rodinný dům typu Vega na obrázku.

Účelné zakřivení žeber

Dispozičně účelné a také architektonicky zajímavé střešní konstrukce mohou být vytvořeny ze zakřivených žeber uspořádaných do prostorového nosného systému. Žebra mohou být lepeného lamelového průřezu nebo z vrstveného dřeva (pro konstrukce větších rozpětí je to nezbytné) anebo vytvořena ze skružových segmentů spojovaných mechanickými spoji (u konstrukcí menších rozpětí). Řada střešních konstrukcí starších a historických staveb obsahuje skružové oblouky typu de Ĺ Orme jako hlavní nosné dílce systému. Z průzkumu některých těchto konstrukcí, teoretického posouzení a experimentálních testů zakřivených segmentů vyplývá, že jde o nosné prvky příznivých vlastností. Nová střešní konstrukce postavená v rámci rekonstrukce objektu školy v Brně-Soběšicích byla navržena jako prostorová soustava typu žebrované klenby (architektonický návrh prof. arch. M. Stehlík, dřevěná konstrukce doc. Ing. B. Straka). Jedním z důležitých aspektů je možnost plného využití volného podkrovního prostoru.

Jedno z nejrozšířenějších řešení

Mezi nejrozšířenější konstrukce příhradového typu patří v současné době konstrukce s přípoji řešenými pomocí kovových zalisovaných styčníkových desek, navrhované až do rozpětí 30 m. Jedná se o efektivní nosné systémy vyráběné z řeziva tloušťky zpravidla 40 až 70 mm s použitím moderní spojovací techniky. Vzhledem k štíhlosti prutů nosné soustavy je nutné dbát na účinné zabezpečení prostorové tuhosti a stability konstrukce, což není v řadě realizovaných případů dodržováno.

Z analýzy poruch některých konstrukcí tohoto typu vyplývá, že právě nedostatečné vyztužení je příčinou výskytu závažných poruch. Většina závad vyplývá z toho, že konstrukce vykazuje již při montáži nepřípustné deformace, ztužidla nebo některé pruty soustavy jsou dodatečně odstraňovány, výztužné pruty jsou připojovány nedostatečným počtem spojovacích prvků a také tlačené pruty nosné soustavy s velkou štíhlostí nejsou zabezpečeny výztužnými pruty, ačkoliv je to ve statickém výpočtu požadováno.

Pro střešní konstrukce středních a velkých rozpětí se používají plnostěnné a příhradové dílce přímých, zalomených a zakřivených tvarů. Volba mezi systémem s plnostěnnými anebo příhradovými dílci závisí na více faktorech, z nichž momentálně rozhodující je zpravidla výše finančních nákladů, a to v některých případech i v rozporu s tvůrčím záměrem architekta. Z obecného hlediska oba uvedené systémy jsou pro realizaci vhodné a záleží na komplexním vyhodnocení zásadních faktorů. Plnostěnné hlavní nosníky, rámy a oblouky se nejčastěji vyrábějí z lepeného lamelového dřeva, v současné době i z vrstveného dřeva. S obvyklými dimenzemi lepených průřezů do výšky 1500 mm a šířky lamel 200 mm lze navrhovat i konstrukce velkých rozpětí, záleží na typu statického systému (v našich podmínkách lze uvažovat maximální výšku průřezu do 2000 mm a šířku 240 mm). U zakřivených nosníků, oblouků a v oblastech zakřivených rámových rohů je nutné předpokládat zvýšené hodnoty normálových napětí vyplývající z výrobního zakřivení jednotlivých lamel, z křivosti posuzované oblasti, a rovněž radiální napětí působící kolmo na vlákna dřeva a lepené spáry. Lepené nosníky, rámy a oblouky se používají pro střešní systémy vytvořené nad pravoúhlým, mnohoúhelníkovým, kruhovým i nepravidelným půdorysem. Jako jeden z příkladů je v příspěvku uvedena konstrukce zastřešení planetária v Brně, která je typickým případem žebrové kopule vytvořené z radiálně uspořádaných obloukových žeber lepeného průřezu.

Výhody příhradových oblouků

Jednou z výhod příhradových oblouků je, že mohou být vyrobeny z rostlého dřeva obvyklých průřezů a běžně dodávaných délek, přitom vykazují velkou únosnost a tuhost (jak vyplývá také z prováděných měření deformací na sledovaných realizovaných konstrukcích). Efektivní je kombinace, ve které jsou pásy vyrobeny z lepeného dřeva a výplňové pruty z rostlého dřeva. Pro spojení prutů ve styčnících je nutné použít dostatečně únosných spojů, obvykle na bázi kovových spojovacích prvků. Jako příklad aplikace jsou v příspěvku uvedeny dva typy konstrukcí s příhradovými oblouky pro zastřešení sportovních hal.

Konstrukce zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu n. Ostravicí o půdorysných rozměrech 40,5 x 60,0 m  je vyrobena z rostlého dřeva hraněného průřezu. Je podepřena na betonových rámech tribun prostřednictvím ocelových příčníků uzavřeného průřezu. Přípoje prutů ve styčnících jsou provedeny pomocí vkládaných ocelových styčníkových plechů a hřebíkových spojů, pouze montážní styky a přípoje podporových prutů k ocelovým příčníkům byly řešeny pomocí ocelových kolíkových spojů.

Konstrukce zastřešení sportovní haly v Bílovci má rozpětí 59,5 m. Základními dílci nosného systému jsou trojkloubové příhradové oblouky vyrobené z rostlého dřeva. Pro dopravu z  výrobní haly byly oblouky rozčleněny přibližně na čtvrtinové segmenty, které pak  byly na staveništi postupně spojovány do půloblouků. Montáž konstrukce probíhala s použitím střední ocelové montážní věže, počínaje od ztužidlového pole. Zásadní konstrukční detaily vrcholového a patního kloubu byly vyřešeny prostřednictvím ocelových botek a čepových spojů (viz obr. detailu patního kloubu příhradového oblouku).

Hlavním záměrem autora příspěvku bylo poukázat na některé možnosti využití dřeva v nosných systémech střech s tím, že dřevo (rostlé, lepené, vrstvené a materiály na bázi dřeva) patří nejen mezi tradiční materiály, ale že je také perspektivním materiálem pro realizaci architektonicky a konstrukčně náročných konstrukcí.

Doc. Ing. Bohumil Straka, CSc.

Příspěvek je zpracován s využitím poznatků vyplývajících z vlastní vývojové činnosti autora a spolupracovníků z Fakulty stavební VUT v Brně, v oblasti teoretické a experimentální analýzy dřevěných konstrukcí a průzkumné a realizační činnosti. Je zaměřen na problematiku střešních konstrukcí, které se v oboru dřevěných konstrukcí vyskytují nejčastěji.

Popisky:

Dřevěný kostel sv. Antonína Paduánského na Prašivé v Beskydách (1640), pohled a detail krovu v oblasti hřebene střechy

Dřevěný rodinný dům typu Vega (architektonické a dispoziční řešení prof. arch. J. Myslín) se střešní konstrukcí hambalkového systému s využitím podkroví pro bydlení

Střešní konstrukce školy vytvořená ze zakřivených segmentů s mechanickými spoji, celkový pohled a pohled do interiéru s prostorem podkrovní učebny (architektonický návrh prof. arch. M. Stehlík, dřevěná konstrukce doc. Ing. B. Straka)

Žebrová kopule pro zastřešení planetária v Brně vytvořená z obloukových žeber lepeného průřezu (dřevěná konstrukce doc. Ing. B. Straka, Ing. P. Kristián)

Systém střešní konstrukce s příhradovými dvojkloubovými oblouky o rozpětí 40,5 m (zastřešení tenisové haly ve Frýdlantu nad Ostravicí)

Detail patního kloubu příhradového oblouku řešený pomocí čepového ložiska, situace před zasunutím ložiskových plechů do ocelové botky a zasunutím čepu