Vybrané vady dřevěných nosných konstrukcí

1. Úvod

Důležitou součástí navrhování a realizace konstrukcí je sledování a vyhodnocování vad a poruch konstrukcí. V oblasti dřevěných nosných konstrukcí pozemních staveb můžeme zaznamenat celou řadu vad. Lze je rozdělit na vady konstrukční, které jsou spojené s nesprávným návrhem nosné konstrukce, a na vady realizační, související s nesprávnou výrobou nosné konstrukce nebo jejích částí, její montáží, případně nesprávnou údržbou nebo nevhodnými dalšími úpravami. Vady mohou mít různý rozsah, závažnost a dopad, a to od vad estetického charakteru až po ohrožení statické způsobilosti nosné konstrukce a vznik havarijního stavu.

Obecně mohou být poruchy dřevěných nosných konstrukcí globálního i lokálního charakteru a mohou být zapříčiněny celou řadou faktorů a jejich kombinací:

• použití nevhodného materiálu pro daný konstrukční typ a prostředí
• statický návrh konstrukce – projekt neobsahuje důležitá ověření (např. zabezpečení prostorové tuhosti, návrh přípojů, kotvení apod.)
• nekvalitní výroba, použití nekvalitního materiálu
• nekvalitní, případně nesprávná montáž
• neodborný dodatečný zásah do konstrukce
• výrazná změna vlhkosti prostředí, zatékání do konstrukce
• přetížení nosné konstrukce vlivem klimatického zatížení nebo dodatečně prováděných úprav
• zanedbání údržby
• napadení konstrukčních prvků dřevokazným hmyzem, plísněmi nebo houbami

Problematika vad a poruch dřevěných nosných konstrukcí a možností jejich odstraňování a sanací je velmi široká a obsáhlá. Příspěvek je zaměřen na konkrétní vybrané konstrukční a realizační vady nosných dřevěných konstrukcí a jejich sanace.

2. Vady konstrukcí zastřešení domů

U střešních konstrukcí se mohou vyskytovat vady globálního charakteru i vady lokální. Mezi globální vady patří zejména nedostatečná tuhost a stabilita konstrukce. Vady tohoto typu patří k nejvýznamnějším, protože jsou příčinou závažných poruch a v mezních případech i havarijních stavů konstrukcí. Projevují se zejména výraznými svislými a vodorovnými posuvy konstrukce. Vodorovné posuvy v podélném směru střechy vyplývají z nedostatečné tuhosti ztužujícího systému. Vady lokální povahy mají rovněž nepříznivý vliv na únosnost a přetvoření konstrukcí, ale většinou nevedou k havarijním situacím. Ponejvíce se projeví nadměrnými průhyby nosných prvků (krokví, vaznic, vazných trámů), poruchami střešních plášťů a podhledů, deformacemi v oblasti střešních oken, výměn apod.

Časté vady, které se vyskytují u dřevěných střešních konstrukcí:

• Nezabezpečení dostatečné prostorové tuhosti střechy. Vady se zpravidla projevují již při montáži střešní konstrukce, případně až po určité době provozu konstrukce, vznikem nežádoucích deformací a vychýlením střešních vazeb z jejich původní svislé polohy následkem vodorovných posunů konstrukce. Může docházet i k natočení vazeb. Nedostatečná tuhost střešní konstrukce má za následek poruchy střešní krytiny (například rozevírání spár mezi prvky skládané krytiny) a dalších vrstev střešního pláště. Narušuje se vodotěsnost střešní krytiny, což je příčinou zatékání vody do vrstev střešního pláště a nosné konstrukce.
  Prostorovou tuhost a stabilitu střechy negativně ovlivňují především chybějící ztužidla a výztužné prvky. V praxi se lze setkat poměrně často s případy, kdy některá ztužidla nejsou v konstrukci provedena, i když v návrhu konstrukce a v projektové dokumentaci je s nimi počítáno. Nezřídka jsou některé prvky ztužidel dodatečně odstraňovány. Důvodem je vytváření otvorů pro průchody technických zařízení střechou.
  
  
  
  Obr. 1 – Styk příčných střešních ztužidel v místě hřebene, ztužidla nejsou vzájemně propojena. Provedená sanace vady vloženým ocelovým elementem.

  
  Obr. 2 – Štítový vazník je propojen s příčným střešním ztužidlem pouze laťováním; každá lať je připojena pouze jedním účinným hřebíkem

  
  
  U střech rodinných domů s vazníky bývají obvykle navržena dvě příčná střešní ztužidla. Často ovšem dochází k situaci, kdy jednotlivá ztužidla v dílčích střešních plochách nejsou vzájemně vůbec propojena v místě hřebene střechy, a tudíž dochází k rozporu mezi předpoklady statického návrhu (pokud byl prováděn) a vlastním provedením – ztužidla nepůsobí jako nosník, ale jako samostatné konzoly (Obr. 1). Pokud nejsou příčná střešní ztužidla osazena v krajních polích střech, bývá často opomenuto propojení střešních ztužidel s vazníky ve štítových stěnách, resp. vlastní propojení je realizováno pouze laťováním obvykle s jedním hřebíkem (Obr. 2).
  
  
• Nedostatečná únosnost přípojů a výztužných prvků. Poměrně častým případem jsou nevypnutá ocelová táhla ztužidel a nedostatečné připojení prutů (Obr. 3, 4). Následkem těchto vad mohou vznikat vodorovné posuvy již v krátké době po montáži konstrukce.
  
  
  
  Obr. 3 – Příklad nevyhovujícího připojení kleštiny k vaznici a výrazné oslabení průřezu kleštiny

  
  Obr. 4 – Příklad nevyhovujícího připojení kleštiny ke krokvi pomocí svorníku

  
  
• Nevyhovující detaily ukotvení pozednic jsou příčinou posunutí a natočení pozednicových prvků. Následně pak dochází k popuštění podpor příčných vazeb krovů a deformacím střech, což se nejvíce projevuje u krokevních a hambalkových soustav, kde je potřeba přenést relativně velké hodnoty vodorovných reakcí. Problém se může vyskytnout u pozednic kotvených ke zděným, betonovým věncům, ale i v dřevostavbách v přípojích pozednicových prvků ke stěnovým panelům a u srubových staveb. Vada spočívá v návrhu kotevních prvků nedostatečné únosnosti.
  Obdobně lze hodnotit nevyhovující podepření jiných prvků, například vzpěr v soustavách krovů. Případný posuv nebo nadměrná poddajnost přípoje může znamenat jak přetížení některých prvků nosné soustavy (včetně jejich přípojů), tak i vznik nadměrných deformací – příklad vady je zachycen na Obr. 5.
  
  
  
  Obr. 5 – Podepření vzpěry krovu. Navržené pevné podepření pomocí ocelového kotevního prvku předpokládá přenos vodorovné síly kontaktem mezi dřevěným prvkem a čelním plechem. Při montáži konstrukce vznikla mezi prvky mezera cca 20 mm.

  
  Obr. 6 – Nadměrné oslabení průřezu dřevěných vzpěr v místech připojení kleštin (2 × 45 mm při tloušťce vzpěry 200 mm). Je nutná následná sanace pomocí vnějších ocelových plechů.

  
  
• Nekvalifikované provedení konstrukčních detailů, zejména přípojů prutů. Absence návrhu a ověření přípojů ve statickém výpočtu má často za následek značné oslabení nosných prvků v těchto detailech. Oslabené prvky nemohou přenést působící vnitřní síly a je nutné provést jejich zesílení – viz Obr. 6.
  
  
• Neodborný zásah do konstrukce. V souvislosti se změnou využití půdních prostor lze zaznamenat celou řadu poruch nosné konstrukce, způsobených dodatečnými neodbornými úpravami dřevěné konstrukce. Příklady neodborného zásahu jsou uvedeny na obrázcích 7 a 8.
  
  
  
  Obr. 7 Příklad neodborného zásahu do konstrukce – odstranění příčných vazeb a podepření vrcholové vaznice nově vloženými kleštinami vazeb. Původní příčná vazba, podporující vrcholovou vaznici, je prakticky vyřazena z funkce.

  
  Obr. 8 – Příklad nevyhovujícího uložení krokve na střední vaznici. Je patrné výrazné oslabení průřezu osedlané krokve, nefunkční připojení krokve k vaznici a vaznice ke sloupku.

  
  

3. Vady střešních konstrukcí s příhradovými vazníky

Nekvalitní návrh, výroba i montáž se mohou výrazně projevit na celkové funkčnosti konstrukce. Kvalita výroby je důležitým faktorem především u konstrukcí z lepeného lamelového dřeva. Nedodržení předepsaných technologických postupů při výrobě může mít vážný dopad na trvanlivost dřevěných prvků, ale zejména na jejich nosnou funkci. Mezi nejčastější „prohřešky“ patří použití dřeva s vyšší než předepsanou vlhkostí při výrobě průřezů, volba necertifikovaného lepidla, nedostatečné množství naneseného lepidla na styčných plochách, případně vyvozování nižšího lisovacího tlaku. Pokud se tyto prvky vyskytují v prostředí s kolísající vlhkostí nebo trvale vysokou vlhkostí, dochází vlivem zatížení k narušení celistvosti a homogenity průřezů a k jejich delaminaci. Problém je závažný zejména u ohýbaných prvků, kdy dochází ke značnému snížení ohybové tuhosti průřezu, vzniku nadměrných deformací a uvolňování v místech zubových spojů lamel. Takový prvek není schopen přenášet požadované zatěžovací účinky, dochází k přerozdělení zatížení na okolní prvky. Pokud je takto postiženo větší množství prvků v konstrukci, může tato porucha vést k havarijnímu stavu.

Obr. 9 – Prostorové uspořádání původní nosné konstrukce zastřešení haly

Jako příklad kombinace konstrukčních i realizačních vad nosné dřevěné konstrukce byla vybrána sportovní hala realizovaná v 90. letech minulého století. Jedná se o samostatně stojící objekt o půdorysných rozměrech 29 × 38,4 m se zastřešením ve tvaru pultové střechy se sklonem 3,2 °. Uspořádání nosné dřevěné konstrukce je zachyceno na obrázku 9.

Odborný průzkum nosné dřevěné konstrukce zastřešení byl proveden na základě poruchy dřevěné konstrukce – prolomené vaznice. Průzkum prokázal velmi špatný technický stav konstrukce jako celku a havarijní stav jejích vybraných prvků.

Pro podložení výsledků odborné prohlídky byl proveden kontrolní statický přepočet nosné dřevěné konstrukce zastřešení haly. Cílem přepočtu bylo zjistit úroveň namáhání jednotlivých prvků nosného systému v souvislosti se zjištěnými defekty konstrukce. Statický přepočet byl proveden na „projektovaný stav“, do výpočtu nebyly zavedeny žádné zjištěné excentricity ani závady.

Statický přepočet nosné konstrukce zastřešení byl proveden programovým systémem SCIA Engineer, byl analyzován prostorový model konstrukce zastřešení jako celku (viz obr. 9).

Obr. 10 – Detail poškozené vaznice. Z obrázku je zřejmé, že profil byl již dříve sanován, s ohledem na destrukci je možné konstatovat, že neúspěšně. K porušení došlo zejména v místě zubového spoje lamel a na stykových plochách mezi lamelami.

Jako nejvážnější se ukázaly defekty střešních vaznic. U jedné vaznice došlo k úplné destrukci prolomením (obr. 10), u několika dalších vaznic se projevily nejen výrazné průhybové deformace (L/125), ale příznaky možného lomu obdobného typu jako u porušené vaznice. Bylo zjištěno, že se porušují zubové lepené spoje lamel v dolní tažené oblasti průřezu (lamely se ve styku vysunují ve vodorovném směru). Lepené spoje lamel nesplňovaly požadavky bezpečné únosnosti. U vaznic vykazujících výrazné průhyby byly zjevné deformace natočením podporových průřezů v místech uložení na horní pásy vazníků. Některé vaznice byly již dříve dodatečně sanovány s použitím mechanických spojů vruty (obr. 10). Toto opatření nebylo u některých vaznic provedeno v celé navrhované délce vaznice a zejména ne u podpor vaznic opatřených zářezem, kde z důvodu zářezu vznikají tahová napětí kolmo k vláknům, která působí proti soudržnosti lamel. Navíc skutečná výška průřezu lepených vaznic neodpovídala výšce uvedené ve výkresové dokumentaci, byla nižší o 40 mm.

V konstrukci nebyla provedena žádná příčná ani podélná ztužidla. Rošt pro uložení střešního pláště, který je připojen k vaznicím, nesplňoval požadavky bezpečného prostorového zabezpečení konstrukce, zejména zajištění horních tlačených pásů vazníků proti jejich vybočování z roviny vazníku. Dolní pásy vazníků vykazovaly příliš velkou volnou délku pásů (28 m). Nebylo provedeno krajní podélné ztužidlo ve svislé rovině procházející podporami vazníků. Pozice vazníků u podpor byly zabezpečeny vzpěrami pouze u každého druhého vazníku. Tímto způsobem nebylo zabezpečeno účinné přenesení podélných vodorovných akcí ze střešní roviny do podpor vazníků.

Z provedeného statického výpočtu vyplynulo, že únosnost příhradových vazníků není vyhovující, a to aniž by byl uvážen jejich špatný technický stav a zjištěné poruchy. Jedná se zejména o únosnost dolních tažených pásů, kde je třeba navíc uvážit vliv oslabení pásů otvory pro spojovací prostředky, výřezy pro styčníkové plechy a oslabení výraznými trhlinami.

Na řadě nosných prvků se vyskytovaly výrazné trhliny, jejichž rozsah neodpovídá požadavkům norem. Jednalo se zejména o výskyt v diagonálních prutech vazníků a dolních pásech vazníků v oblasti styků.

Obr. 11 – Detail poškozené vaznice. Z obrázku je patrné dělení profilu přesně v místě ozubu, kde vnikají největší namáhání dřeva tahem napříč vláken, které mohlo být iniciátorem poruchy vaznice.

Obr. 12 – Detail profilu dolního pásu vazníku v místě montážního spoje. Je patrné rozlepení profilu v ložných sparách lamel. Taktéž lze pozorovat zcela nezaražené kolíky spoje. Jedná se o „typický“ jev, vyskytující se v převážné většině montážních spojů pásů vazníků.

Obr. 13 – Doplněné diagonální prvky příčného ztužidla včetně svislic (rostlého dřevo C24)

Na základě provedeného průzkumu a statického výpočtu byly navrženy následující úpravy nosné dřevěné konstrukce:

• Doplnění příčného ztužidla a ztužidel podélných
• Doplnění podporových vzpěr vazníků
• Doplnění distančních prvků
• Výměna vybraných střešních vaznic
• Zesílení vybraných střešních vaznic
• Sanace pásových prutů vazníků
• Sanace výplňových prutů vazníků
• Posílení montážních spojů dolních pásů vazníků

Zesílení vybraných střešních vaznic

Obr. 14 – Detail zesílené vaznice s doplněným profilem z lepeného lamelového dřeva a sepnutí profilu v místě uložení pro eliminaci napětí v tahu kolmo k vláknům v místě osedlání vaznice na horní pás vazníku. Na obrázku je patrné i vzájemné sepnutí stávající vaznice s přidaným profilem.

Stávající vaznice staticky nevyhověly, bylo tudíž nezbytné posílení jejich statické funkce – vaznice byly jednak stabilizovány a jednak zesíleny. Některé vaznice byly v minulosti již sanovány – sanace spočívala v sepnutí lepených profilů pomocí vrutů, montovaných ze spodní strany.

Součástí stabilizace stávajících vaznic bylo zachycení tahových složek napětí v místě podporového výřezu a dále sepnutí vlastního profilu vaznice. Tahové složky napětí byly eliminovány osazením 2 kusů dvouzávitových vrutů SFS WT-T 8,2×275 ve vzdálenosti nejvýše 100 mm od hrany výřezu (obr. 14).

Sepnutí profilu vaznic bylo zajištěno osazením (resp. doplněním již dříve namontovaných) vrutů SFS WT-T 8,2×275 tak, aby vzdálenost mezi vruty (novými i stávajícími) nepřekročila 1,0 m.

Dále bylo navrženo zesílení všech stávajících vaznic pomocí přidaného obdélníkového profilu dimenze 80×285mm z lepeného lamelového dřeva třídy pevnosti GL24h (obr. 14). Nový prvek je těsně přisazen ke stávající vaznici, a to tak, že je výškově umístěn těsně pod stávající desky podhledu a přes tyto desky podpírá rámy střešních panelů Nový prvek je osazen na horním pásu vazníku. Stávající vaznice a zesilující prvky jsou vzájemně propojeny trojicemi vrutů Ø 6,0×140 mm, osazenými po cca 500 mm.

Přípoj mezi vaznicemi a prvky střešního pláště (rámy střešních panelů) je realizován pomocí šikmých vrutů Ø 4,0×100 mm.

Sanace prutů vazníků

Pásové pruty: V místech významných trhlin (delaminace) průřezů jsou osazeny stahovací dvouzávitové vruty SFS WT-T 8,2×285.

Výplňové pruty (diagonály): V místech významných výsušných trhlin průřezů z rostlého dřeva jsou osazeny stahovací dvouzávitové vruty SFS WT-T 6,5×130.

Obr. 15 – Posílení montážních spojů vazníků pomocí pásů BOVA a sepnutí částečně delaminovaného profilu pomocí dvouzávitových vrutů.

Posílení montážních spojů dolních pásů vazníků

Montážní spoje dolních pásů vazníků byly posíleny. Zesílení je provedeno pomocí ocelových příložek a hřebíků (vrutů). Jako příložky jsou použity pro každý montážní spoj pásu 4 ks ocelových zavětrovacích pásů BOVA BV/ZP 10-03 délky 3,50 m. Přípoj pásu k profilu bude proveden závitovými nebo kroužkovými hřebíky Ø 4,5×60 mm. Na koncích každého pásu BOVA budou navíc osazeny 2 vruty Ø 8,0×130 mm. U prvků, kde došlo k odtržení lamel, jsou ke stažení profilu použity 2 dvouzávitové vruty SFS WT-T 8,2×275. Úpravy jsou patrné na obr. 15.

4. Vady konstrukčních prvků a dílců – sloupy administrativního objektu

Obr. 16b – Výsušné trhliny v oblasti patky rámového sloupu lepeného lamelového průřezu

Obr. 17 – Šikmo vyvrtaný otvor přes trhlinu pro injektáž a otvor utěsněný kolíkem po provedení injektáže epoxidovým lepidlem (odstraněna matice s podložkou)

Obr. 18 – Injektáž soustavy trhlin v oblasti ocelového kolíku a injektáž trhliny v patce rámového sloupu

Nutnost sanace konstrukcí se může vyskytnout i v poměrně krátké době po jejich zprovoznění. V uvedeném případě byly předmětem sanace dřevěné lepené rámy nosné konstrukce administrativního objektu. Příčinou vad byl výskyt trhlin ve dřevě v oblasti některých zakřivených rámových rohů a patek rámových sloupů (obr. 17). Konstrukční řešení podporového detailu odpovídá ohybově polotuhému typu spojení. Při řešení výpočtových modelů byly uvažovány i limitní případy, tj. tuhé vetknutí a kloubové podepření. Na základě statické analýzy objektu, jehož hlavní součástí jsou předmětné rámy, bylo prokázáno, že trhliny nejsou způsobeny účinkem tahových napětí působících kolmo ke směru vláken dřeva vlivem zatížení, ale v procesu vysušování dřeva. Maximální šířka trhlin činila 3,0 mm, hloubka 30 mm. Pro sanaci průřezů narušených trhlinami byla zvolena metoda injektáže dřeva na základě technologického postupu [2]. K sanaci bylo použito epoxidové lepidlo WEVO Spezialharz EP 20 VP⁄ 01 UN: 3082 s tvrdidlem WEVO-Härter B 20/1 UN 2922 (doporučované Otto Graff Institutem, FMPA ve Stuttgartu). Pro utěsnění spár v oblasti trhlin byl použit dvousložkový pružný polyesterový tmel. Měření vlhkosti dřeva bylo prováděno digitálním vlhkoměrem. Vlhkost dřeva v době provádění sanace byla v rozmezí 8,5 % až 10,6 %. Postup injektáže v oblasti patek sloupů prostřednictvím šikmo navrtaných otvorů je patrný z obr. 17.

Po injektáži byla provedena úprava vnějšího vzhledu trhlin tmelem a zabroušením. Nosná konstrukce tvořená dřevěnými lepenými rámy splňovala po sanaci požadavky bezpečné únosnosti a použitelnosti.

5. Závěr

Cílem článku bylo ukázat některé typické vady nosných dřevěných konstrukcí a dále, na konkrétních příkladech demonstrovat důsledky nedostatečného konstrukčního návrhu a chybné výroby, které vyústily – v relativně krátké době užívání objektu – k závažným poruchám, vedoucím k dílčí havárii konstrukce a dále uvést příklady sanace takto postižených dřevěných konstrukcí.

Poděkování

Článek vznikl s podporou Centra AdMaS (reg. č. CZ.1.05/2.1.00/03.0097).

6. Literatura

• [1] ČSN ISO 13822: „Zásady navrhování konstrukcí – Hodnocení stávajících konstrukcí“ (2005).
• [2] RIBERHOLT, H.: Glued Bolts in Glulam. Report No. R 210, Technical University of Denmark, Lyngby, 1986, Dánsko.
• [3] Straka, B.: Konstrukční detaily dřevěných domů. Nízkoenergetické a pasivní domy. Inženýrská komora ČKAIT 2009.