Diagnostika původu problému v konstrukci dřevěného vazníkového krovu
Nedílnou součástí současných staveb jsou různé typy dřevěných konstrukcí krovů. Příspěvek zachycuje diagnostický průzkum, jehož účelem bylo odhalení příčiny výrazných akustických jevů v nedávno dokončené konstrukci dřevěného vazníkového krovu v objektu rodinného domu.
1. Úvod – charakteristika problému
Předmětem průzkumu byl jednopatrový rodinný domek, jehož střešní konstrukce je tvořená vazníkovým krovem. Domek si stavěl majitel svépomocí, na zhotovení a namontování krovu si sjednal místně renomovanou firmu.
Bezprostředně po dokončení konstrukce krovu si majitel objektu stěžoval na akustické efekty (praskání), ozývající se z konstrukce krovů. Intenzita akustických efektů výrazně převyšovala běžné akustické efekty vyvolávané u dřevěných konstrukcí změnami vlhkosti či teploty. Tento problém navzdory ujištění pracovníka zhotovitele konstrukce neustával, proto se majitel objektu obrátil na zhotovitele se žádostí o nápravu.
Zhotovitel vydal prohlášení, že akustické efekty jsou způsobeny nedostatečným odvětráním prostoru krovů, zároveň bylo ve vyjádření zhotovitele konstatováno že byla „provedena kontrola krovové konstrukce a nebyly shledány závažné neshody ...“.
Vzhledem k přetrvávajícím problémům se majitel objektu obrátil na Ústav stavebního zkušebnictví, Fakulty stavební, Vysokého učení technického v Brně se žádostí o místní šetření a případnou expertizu.
Rodinný domek čtvercového půdorysu s 1.NP je zastřešen stanovou střechou tvořenou z dřevěných vazníků. Střecha je z betonové krytiny a od prostoru krovu je oddělena parozábranou. Prostor krovu je od obytných místností oddělen sádrokartonovým podhledem a zvukově-tepelnou izolací. Krovová konstrukce je podepřena obvodovou nosnou zdí a cca uprostřed rozpětí střední nosnou zdí. Příčky jsou ukončeny cca 100 mm pod krovovou konstrukcí.
Vlastní střešní konstrukce je tvořena dřevěnými vazníky s ocelovými styčníkovými deskami s prolisovanými trny. Konstrukční prvky jsou dřevěné fošny tl. 50 mm s doplňkovými ztužidlovými panely, fošnami a prkny. Styčníkové desky s prolisovanými trny jsou vyrobeny z oboustranně pozinkovaného ocelového plechu. Dřevěné konstrukční prvky jsou impregnovány.
2. Místní šetření
Samotný průzkum předmětné konstrukce proběhl za účasti majitele objektu. Vzhledem k faktu, že jako hlavní příčina byla označena vysoká vlhkost v prostoru konstrukce krovů daná nevhodným odvětráním, a vzhledem k faktu, že zvýšení odvětrávání krovů bylo majitelem v minulosti vyřešeno úpravou podbití (výměna prken za děrovaný plech umožňující cirkulaci vzduchu v prostoru krovu), byly orientačně stanoveny okamžité hodnoty relativní vzdušné vlhkosti a teploty vzduchu v prostoru krovu a byla stanovena vlhkost dřeva krovové konstrukce a jeho povrchová teplota.
Dále byl v rámci průzkumu ověřen tvar a provedení konstrukce v porovnání s předloženou dokumentací.
2.1 Vlhkostní poměry v krovu
Na základě předchozího vyjádření zhotovitele o špatném odvětrání konstrukce krovů jako hlavní příčině akustických efektů konstrukce provedl majitel objektu opatření ke zvýšení odvětrání. Ani tato opatření závadné chování krovu neodstranila.
| Místo měření | Průměrná naměřená hodnota |
|---|---|
| Teplota vzduchu v prostoru krovu | 17,8 °C |
| Relativní vlhkost vzduchu v prostoru krovu | 40,0 % |
| Teplota povrchu dřeva konstrukce krovu | 17,7 °C |
| Vlhkost dřeva konstrukce krovu | 11,3 % |
Při prohlídce nebyla v daném okamžiku shledána zvýšená vlhkost prostoru krovu, ani samotného dřeva vazníků. Výsledky okamžitých měření vlhkostí a teplot v době šetření jsou uvedeny v Tabulce 1.
Použité měřicí přístroje
Obrázek 1.: Stanovení vlhkosti dřeva předmětné konstrukce přístrojem Hygrotest 6500 se zarážecí sondou.
1) Teplota vzduchu a relativní vlhkost vzduchu v prostoru krovu byla měřena datovým loggerem teploty a vlhkosti S3120 COMET. Přistroj je určen k záznamu relativní vlhkosti vzduchu a teploty. Záznam je prováděn do energeticky nezávisle elektronické paměti.
2) Teplota povrchu dřeva byla měřena bezdotykovým infračerveným teploměrem, který je určen k měření teploty povrchu špatně přístupných objektů. Měření teploty bezdotykovým teploměrem je založeno na principu vyhodnocování tepelného záření těles. Teploměr snímá vyzařované tepelné vlnění vystupující z povrchu materiálu. K přesnému zaměření místa měření teploty je tento teploměr vybaven zaměřovacím laserem.
3) Vlhkost dřeva byla měřena pomocí odporového přístroje Hygrotest 6500 (Obr. 2.), který využívá elektrický stejnosměrný odpor a vodivost dřeva. Přístroj je doplněn zarážecí sondou umožňující stanovit vlhkost až 40 mm pod povrchem zkoušeného materiálu. Tento způsob měření upravuje norma ČSN EN 13183-2 „Vlhkost vzorku řeziva – Část 2: Odhad elektrickou odporovou metodou“ [3].
Je pochopitelné, že okamžité měření nemůže nahradit dlouhodobé sledování, ale zjištěné vlhkosti odpovídají běžným, nijak extrémním hodnotám. Samotná vlhkost dřeva naprosto nenaznačuje, že by dřevo konstrukce bylo vystaveno v blízké minulosti zvýšené vlhkosti.
Vlhkost dřeva udává hmotnostní množství vody ve dřevě vyjádřené v procentech. Podle vlhkosti lze dřevo rozdělit do několika skupin. Obecně se rozlišují tyto stupně vlhkosti dřeva [5]:
- Mokré dřevo (více než 100 %) – dřevo uložené dlouhodobě ve vodě.
- Syrové dřevo čerstvě poraženého stromu (50–100 %).
- Dřevo sušené dlouhodobě vzduchem v obyčejných podmínkách (15–20 %).
- Dřevo sušené ve vytápěných místnostech (8–10 %).
- Absolutně suché dřevo, sušené v sušárnách (0 %).
V okamžiku nazývaném mez nasycení buněčných stěn má dřevo všechnu vodu vázanou v buněčných stěnách. Jakmile se začne vypařovat (cca při 30% v závislosti na druhu dřeva), dochází k významným vlivům na vlastnosti dřeva. Voda se vypařuje tak dlouho, pokud nenastane tzv. stav vlhkostní rovnováhy. Tento stav je charakteristický tím, že určité teplotě a vlhkosti vzduchu odpovídá určitá hodnota vlhkosti dřeva (rovnovážná vlhkost).
Praskání dřeva v souvislosti s vlhkostí je důsledek vnitřních napětí ve dřevě, způsobených nerovnoměrným vysycháním dřeva. Protože na povrchu dřevo vysychá rychleji a uvnitř pomaleji, vzniká na povrchu dřeva tahové napětí. Vnitřní vrstvy jsou tak vystaveny tlakovému napětí. Pokud tahové napětí překročí mez pevnosti v tahu, dřevo praskne a vzniká povrchová výsušná trhlina směřující od povrchu ke dřeni. V dalším průběhu se děje opačný postup. Vlivem vysychání vnitřní části jsou tlakovému napětí vystaveny povrchové vrstvy, které však již rozměry nemění. Tahové napětí vzniká uvnitř, takže se mohou vytvořit vnitřní výsušné trhliny. V této fázi se povrchové trhliny částečně uzavírají.
Tudíž je poněkud diskutabilní tvrzení v dokumentech zhotovitele o příčinách akustických efektů v souvislosti s vysokou vlhkostí. Akustické efekty by se projevily v případě střídání vlhkosti, při zvýšené vzdušné vlhkosti by dřevo nevysychalo a nepraskalo.
2.2 Ověření tvaru a provedení konstrukce
Bylo provedeno porovnání tvaru konstrukce krovu s předloženou projektovou dokumentací.
Při porovnávání byl zjištěn zásadní problém týkající se středového vazníku. V projektové dokumentaci je vazník navržen tak, že jeho konstrukce je jistým způsobem asymetrická. Důvodem asymetrie je to, aby byl vazník správným způsobem podepřen, kromě uložení na obvodovou nosnou zeď mají být dva střední styčníky podepřeny uložením na střední nosnou zeď v objektu. Způsob navrženého uložení je dobře patrný z Obr. 2 a Obr. 3. Z výkresů je zároveň patrné, že střední část vazníku mezi oběma styčníky měla být umístěna nad příčnou částí střední nosné zdi.
V technické zprávě prováděcího projektu je zcela jasně uvedeno, že „Vazníky budou podepřeny a kotveny pouze v těch místech, kde jim byly definovány podpory“.
Obrázek 2.: Řez krovem, pohled na středový vazník S1 – zvýrazněn způsob podepření uvedený v projektu.
Obrázek 3.: Půdorys části krovu se středovým vazníkem S1 – zvýrazněn způsob podepření uvedený v projektu.
Obrázek 4.: Dobře patrná skutečná poloha středního vazníku konstrukce, kdy je vazník umístěn zcela mimo příčnou část střední nosné zdi.
Zkoumáním konstrukce byly zjištěny dva zásadní problémy. Prvním je fakt, že asymetrický vazník byl při montáži otočen o 180°. Druhý spočívá v tom, že současně nebyla dodržena poloha vazníku nad příčnou částí střední nosné zdi. Následkem tohoto se ocitly styčníky, ve kterých měl být uložen, zcela mimo nosnou zeď a vazník je v současné době zatížen mimostyčně (Obr. 4.). Tato situace se zákonitě projevuje na statice krovu a je příčinou atypického silového působení v konstrukci krovu, s čímž mohou být částečně spojeny i akustické efekty, které by se u správně provedené konstrukce patrně neprojevily.
Vzhledem ke zjištění tohoto zásadního nedostatku při porovnání výkresové dokumentace s reálnou podobou konstrukce byly zjištěné okolnosti předány statikům k posouzení závažnosti problému. Statickým přepočtem bylo zjištěno, že některé pruty středového vazníku, uloženého jinak než předpokládal projekt, hrubě nevyhoví.
3. Závěr
Závěrem bylo konstatováno:
- Lze vyloučit tvrzení prováděcí firmy, že rázy jsou způsobovány nadměrnou vlhkostí v podstřeší.
- Přetížení vazníku (například větší vrstvou sněhu na střešní konstrukci) může vyvolat i havárii.
- Akustické efekty je tedy možné přisoudit nevhodnému uspořádání podpor – tj. vazeb v místech uložení a jeho nadměrně namáhanými pruty. S největší pravděpodobností při tepelné dilataci stavby (ráno a večer) dojde k drobnému rychlému posuvu jednoho vazníku v uložení (úhelníky a trny), následně pak v dominovém efektu se uvolňují další vazníky jeden po druhém a vyvolávají za sebou následující nežádané rány.
Akustické efekty v konstrukci s nejvyšší pravděpodobností vznikají nevhodným podepřením vazníku, které neodpovídá schválenému projektu. S tímto závěrem byla seznámena prováděcí firma, která přislíbila nápravu – zesílení dotyčného vazníku ocelovými příložkami.
Poděkování
Tento příspěvek vznikl za podpory centra kompetence TAČR TE01020168, s názevem „Centrum pro efektivní a udržitelnou dopravní infrastrukturu (CESTI)“.
Literatura
- [1] ČSN ISO 13822 Navrhování stavebních konstrukcí – Hodnocení existujících konstrukcí
- [2] Pume, D., Čermák, F. a kol.: Průzkumy a opravy stavebních konstrukcí, Praha, Arch, 1993
- [3] ČSN EN 13183-2 „Vlhkost vzorku řeziva – Část 2: Odhad elektrickou odporovou metodou“
- [4] ČSN EN 1991-1-1 Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1-1: Obecná zatížení
- [5] ŠKÁRA, Ivan. Materiály a technologie: dřevo. Brno: Masarykova univerzita v Brně, 1996
Integral parts of present-day constructions are various types of wooden roof structures. This contribution documents a diagnostic survey, whose objective was to find the cause of significant acoustic phenomena in a recently completed wooden roof of a family house.
