Použití lepeného lamelového dřeva v moderní architektuře

Kostel milosrdného srdce – sídliště KVP, Košice

Historie stavby sahá do roku 1995, kdy byla vyhlášena soutěž na urbanisticko-architektonické řešení farního kostela a fary na území západní části Košic, zvané jako sídliště Košického vládního programu. Stavba byla dokončena v roce 2011 venkovním opláštěním a vnitřními obklady.

Popis konstrukce – loď kostela

Dřevěná konstrukce lodě kostela maximálních půdorysných rozměrů 32,0 x 22,0 m má složitý geometrický tvar, který je vymezený liniemi zakřivenými ve více rovinách. Výška střechy v čele lodě je +17,400 m a v zadní části je + 9,120 m. Hlavní nosná konstrukce je tvořena atypickými dřevěnými příhradovými rámy po osových vzdálenostech 1,200 m (osa 1-26), které jsou kotveny v úrovni +4,000 na ŽB věnec. Koncepce původního návrhu zůstala zachována, ale vzhledem k tomu, že mezi projekčním návrhem a realizací uběhlo cca 15 let, došlo k některým technickým úpravám konstrukčního a materiálového řešení. Standardní řezané prvky byly nahrazeny lepeným lamelovým dřevem, což v době prvních projekčních prací bylo z finančních důvodů nemyslitelné. V dnešní době je lepené lamelové dřevo finančně dostupnější, a proto tato změna byla z vizuálního i konstrukčního hlediska výhodnější. Statickým výpočtem bylo ověřeno původní projektované řešení. Již dříve se vědělo, že jednotlivé příčné rámy nemůžou fungovat samostatně, protože docházelo k výrazným koncentracím silových účinků v horní části vnitřních sloupů. Proto bylo nutné, aby jednotlivé rámy byly spojeny tuhou střešní rovinou, která umožnila přenesení horizontálních účinků do ŽB ztužujících prvků (vstupní ŽB portálová stěna a ŽB stěna svatyně v ose 7). Zde také došlo k úpravě původního řešení, ve kterém bylo provedeno ztužení ve střešní rovině složené z ocelových diagonál a pásových prvků. Vzhledem k tomu, že se toto řešení jevilo jako montážně problematické, byly tyto prvky nahrazeny lepenými atikovými obloukovými ztužidly skrytými ve střešním plášti, která byly vzájemně propojeny ocelovými táhly. Horizontální účinky jsou přeneseny pomocí tuhé střešní roviny do ztužující vazby v ose 7 a vstupní ŽB portálové stěny. Horizontální síly se ze ztužující vazby v ose 7 přenáší do ŽB stěny tvaru „M“ tvořící oltář. Část vodorovných sil je také přenášená do čelního ŽB pilíře v ose 0 a rohových ŽB pilířů v ose 24´.

Výpočetní model lodě

Tvar typické vazby

Statickým výpočtem byly prakticky potvrzeny profily jednotlivých prvků z předchozího návrhu. U hlavních vnitřních sloupů došlo pouze z architektonického hlediska k úpravě profilu. Místo předpokládaných sloupů z kulatiny byly provedeny sloupy z lepeného lamelového dřeva ve tvaru „x-hranu“, aby dotvářel dojem surového (technického řešení). Po statické stránce tedy působí jednotlivé části jako prostorová konstrukce tvořená jednotlivými rámy, střešní rovinou a příčnými prvky mezi vazbami (paždíky, střešní ztužidla a ztužidla v úrovni světlíků).

Vnitřní sloupy jsou kotveny k příčlím pomocí ocelových hlavic. V podélném směru jsou obvodové sloupy propojeny paždíky ve dvou výškových úrovních. V nepárových modulech jsou vnitřní sloupy uloženy na ŽB pilíři a v párových modulech na dvou šikmých vzpěrách 180/180 a níže na patním trámu 200/200. Obvodové sloupy leží na ŽB věnci kotvené pomocí ocelových prvků a chemických kotev. Kotvení vnitřních sloupů je řešené prostřednictvím svislých styčníkových plechů přivařených na zabudované plotny v pilířích. Vazby jsou dále propojeny ztužidly v rovině světlíků z profilu 140/140, které jsou kotveny k ŽB pilíři v ose 24´ a k čelnímu pilíři v ose 0.

Střešní rovina je tvořena ztužujícími lemy z profilu 770/100 kotvených k příčlím pomocí celozávitových vrutů a vzájemně propojeny ocelovými táhly, které zajišťují přenos horizontálních sil k vazbě 7 a ŽB portálové stěně. Lemy jsou kotveny k portálové stěně na horní hranu stěny chemickými kotvami přes atypické zámečnické prvky. Konstrukce střechy je dále tvořena vazničkami 140/120, zajišťující další podélné ztužení mezi vazbami a vytvářející provětrávanou mezeru. Celá konstrukce je dále ztužena celoplošným bedněním z desek tloušťky 24 mm.

Popis konstrukce – věž kostela

Nosná dřevěná konstrukce pláště věže kostela půdorysných rozměrů 12,80 x 7,70 m (nepravidelný tvar) je tvořena dřevěnými lisovanými stěnovými vazníky, které jsou kotveny k betonovému jádru věže a vzájemně spojeny řezanými krokvemi tvořící zastřešení celé věže.

Po statické stránce působí jednotlivé části konstrukce jako prostorová konstrukce. Krokve působí jako prosté nebo spojité nosníky, které přenášejí zatížení do stěnových prvků, případně přímo do jádra věže. Stěnové prvky jsou vyztuženy zavětrovacími rovinami po úrovních cca 2,5m. Kotvení samotné dřevěné konstrukce je ve výškové úrovni +9,000 na ŽB věnec zděné části věže. Celá konstrukce je dále ztužena celoplošným bedněním z desek tloušťky 24 mm. Opláštění deskami je vynecháno pouze v části zvonice, kde jsou v rámci opláštění osazeny plechové lamely.

Výpočetní model věže kostela a půdorysný tvar věže

Montáž dřevěné konstrukce

Stav objektu př zahájení prací

Během první obhlídky staveniště bylo zřejmé, že bude nutné provést podrobné zaměření dokončené ŽB konstrukce věže i lodě kostela. Na základě tohoto zaměření, které představovalo náročný úkol pro geodety, se provedla revize původně navrženého tvaru dřevěné konstrukce. Z geodetického zaměření vyplynulo několik skutečností, se kterými bylo nutné se vypořádat v projekci i přímo na stavbě. Nepřesnost provedení vyplynula především z tvarově náročných monolitických betonových konstrukcí. Pro věž i loď bylo prvořadým úkolem zajistit plynulý přechod pláště z dřevěné konstrukce do části železobetonové s výplňovým zdivem. Ještě před výrobou prvků byly tvary příčných vazeb upraveny podle skutečného zaměření, aby tento přechod byl bezproblémový.

Montáž nosné konstrukce pláště věže probíhala postupně po jednotlivých patrech. Stěnové příhradové lisované vazníky byly segmentovány na jednotlivé části a postupně se napojovaly další části jednotlivých vazeb. Každý stěnový prvek je kotven k ŽB jádru věže do atypické ocelové botky pomocí mechanických kotev. Tvar vazníků i způsob kotvení musel být přizpůsoben skutečnému tvaru ŽB jádra věže (svislost stěn, skutečný půdorysný tvar). V úrovni každého patra je provedeno horizontální ztužení. Po provedení jednotlivých stěnových prvků z lisovaných vazníků byly osazeny střešní prvky a nakonec bednění celé věže. Pro montáž konstrukce věže byl využit věžový jeřáb a lešení v rámci celého obvodu věže.

Montáž dřevěné konstrukce pláště

Montáž dřevěné konstrukce pláště

Montáž nosné konstrukce lodě probíhala postupně po jednotlivých vazbách. Každá vazba byla po důkladném přeměření kompletně složena na zemi ve vodorovné poloze a montážně ztužena.

Montážní stav typické vazby

Montáž vazby

Montáž lodě kostela

Poté byla jeřábem osazena do předem připravených kotevních ocelových prvků. Takto byla postupně postavena celá konstrukce. Mezi jednotlivé příčné vazby byly postupně vkládány podélné prvky konstrukce i prvky montážního ztužení. I zde vyplynuly tvary jednotlivých prvků z geodetického zaměření. Z tohoto zaměření taky vyplynulo, že krajní sloupy, které měly proběhnout pod ŽB klenbou věže, budou v její kolizi. Zde se nakonec přistoupilo, po dohodě s architekty i projektanty betonové konstrukce, k zakotvení těchto krajních sloupů do ŽB klenby věže a v oblasti pod klenbou se sloupy zrušily, čímž se vnitřní prostor lodě více propojil s prostorem věže. Pro montáž konstrukce se využily jeřáby a montážní plošiny.

Obvodový plášť lodě a věže

Nejsložitější částí obvodového pláště bylo provedení klempířských prací, které celému kostelu daly konečnou vizuální podobu. Krytina je tvořena předzvětralým modrošedým TiZn plechem tloušťky 0,8 mm. Pro realizaci fasády byly použity tabule o rozvinuté šířce 570mm, které byly na základě architektonického návrhu upravovány a ohýbány na stavbě do konečného tvaru. Pro realizaci obvodového pláště se muselo postavit prostorově složité lešení v rámci celého obvodu věže i lodě s minimálními zásahy do samotného obvodového pláště.

Interiér kostela (foto Libor Novák)

KI Aula - Solna, Švédsko

Ve švédském městě Solna, které je součástí aglomerace okolo hlavního města Stockholmu, vyrůstá v kampus jedné z nejvýznamnějších lékařských univerzit v Evropě – Karolinska Institutet. Součásti tohoto areálu je kromě univerzitních budov, nové nemocnice, vědeckého parku i nová budova auly. Lepené lamelové dřevo je použito jako nosná konstrukce obvodového pláště – tvoří podpůrný systém pro fasádní systém z hliníkových profilů.

Vizualizace budovy auly. Architekt: Gert Winghards. Investor: Karolinska Hus, Stockholm, SE. Projekt, dodávka a montáž dřevěné konstrukce: TAROS NOVA Rožnov pod Radhoštěm. Doba realizace: 2011-2013.

Vizualizace interiéru

Popis objektu

Základní tvar celé budovy lze popsat jako trojboký hranol se zaoblenými rohy. Jedno nároží se silně vyklání do exteriéru a v nejvíce vykloněném místě je přesah atiky nad terénem téměř 18 m. Mezi svislou a vykloněnou částí dochází k postupnému odklonu sloupů od svislice jak ve směru radiálním, tak tangenciálním vzhledem k rovině pláště. V této části má budova tvar zborcené přímkové plochy. Obvod budovy v místě terénu je 180 m, kvůli vyklonění se v nejvyšším bodě atiky obvod zvětšuje až na 200 m. Výška celé osmipatrové budovy dosahuje 32,5 m. Konstrukce budovy je ocelová s betonovým ztužujícím jádrem. Stropní konstrukce jsou z předepnutých betonových panelů.

Kompletní 3D model konstrukce

Dřevěná konstrukce

Nosná konstrukce fasády je navržena jako samonosný dřevěný rošt, který tvoří prostorovou skořepinu po celém obvodu budovy. Tato skořepina je tvořena lineárními prvky, které se dají rozdělit do třech základních skupin. Hlavní nosné prvky tvoří vertikální sloupy. V místech zborcené plochy se postupně vyklánějí a v nejvíce přesahujících části jejich odklon dosahuje úhlu odklonu diagonálních prvků. Základní profil těchto sloupků je 120/200. V místech, kde tyto sloupy překlenují větší rozpětí, mají sloupy větší průřez, největší dimenze je 140/400. Základní osová vzdálenost sloupů je 900 mm. Ve vykloněné části se tato rozteč po výšce zvětšuje. Sloupy jsou průběžné a tvoří hlavní nosný prvek, který přenáší vertikální zatížení obvodového pláště.

Základní vodorovné prvky jsou paždíky o profilu 120/120. V  místech, kde se dřevěná konstrukce fasády napojuje na ocelovou hlavní konstrukci objektu, mají paždíky stejnou šířku jako sloup. Vzájemná osová vzdálenost paždíků je 1800 mm. Poslední část tohoto rastru je tvořena šikmými diagonálními prvky profilu 120/120. Paždíky a diagonály jsou z krátkých kusů, které jsou vloženy mezi sloupy. V nejvíce otevřených prostorech překlenují sloupy rozpětí téměř 20 m. V této části je z důvodů velkých průhybů sloupů instalován vodorovný nosník, který tvoří dodatečnou oporu sloupů ve vodorovném směru. Vodorovné reakce od větru jsou ze sloupů přenášeny pomocí tohoto nosníku a šesti opěr do ocelové konstrukce.

Část 3D modelu pro výrobu dřevěné konstrukce

Pro spojení jednotlivých částí sloupů jsou použity svorníkové a kolíkové spoje s vnitřním ocelovým plechem. Upevnění paždíku a diagonál je řešeno pomocí vrutů. Veškeré spoje jsou navrženy s ohledem na co nejmenší viditelnost. Většina spojů je provedena z vnější nepohledové strany, viditelné jsou jen hlavičky vrutů uchycující diagonály. V některých částech konstrukce dochází k větším tahovým silám v paždících. Tyto síly není možnost přenést vruty, v těchto částech je nutno paždíky dodatečně vyztužit ocelovým páskem, který přenese veškeré tahové síly. Tlakové síly se přenášejí kontaktní plochou mezi paždíkem a sloupem.

V celé konstrukci je použito téměř 400 m³ lepeného lamelového dřeva pevnostních tříd GL24h a GL28c. Celkem je obsaženo 7200 kusů dřevěných prvků, z čehož je téměř 3000 kusů jedinečných. Takové množství jednotlivých prvků je způsobeno odklonem sloupů, ve vyklánějící se části je každý prvek originál. Jednotlivým prvkům se mění délka a úhel koncového řezu. Takové množství atypických kusů podmiňuje použití specializovaného softwaru s propojením na CNC obráběcích centra. K vytvoření 3D modelu všech dřevěných prvků se použil komplexní 3D model celé konstrukce. Tento model obsahuje veškeré konstrukční prvky, umožňuje kontrolu kolizí s ostatními částmi. Dřevěné prvky jsou opatřeny bílým nátěrem. Celá vnitřní strana opláštění je pohledová. Při provádění nátěrů je nutno dbát zvýšené opatrnosti, stejně tak i při samotné montáží, aby nedošlo k poškození pohledově exponovaných míst.

Statická analýza části kotvy

Kotvení konstrukce

Ve vyšších patrech budovy bude docházet k poměrně velkým svislým průhybům, je nutné zajistit nezávislost kotvení ve vertikálním směru. Veškerá svislá zatížení jsou přenášená pomocí sloupů do patních kotev. Uchyceni obvodového pláště do hlavní konstrukce je řešeno pomocí kotvení sloupů do ocelové konstrukce. Kotvení musí přenést horizontální zatížení a umožnit dilataci hlavní konstrukce, aby nedocházelo k dodatečnému přenosu sil mezi dřevěným roštem a ocelovou konstrukcí budovy. Ve větší části budovy kotvy přenášejí pouze zatížení v rovině kolmé na plášť, ve vyklánějící části je nutno zajistit i přenos sil v rovině rovnoběžné s pláštěm. Kotvy jsou vyrobeny rektifikovatelné ve všech směrech, aby umožnily přesné osazení sloupů. Viditelné prvky kotev budou po dokončení konstrukce skryty v podhledu.

Montáž konstrukce

Dřevěná konstrukce obvodového pláště má vysoké požadavky na přesnost montáže, protože tvoří podkladní rastr pro předem fasádní systém z hliníkových profilů, izolačních trojskel a vakuových panelů. Ty jsou předem vyráběny a je tudíž nutné dodržet odchylky mezi jednotlivými prvky do 5 mm. Musí se také uvažovat s teplotními změnami během montáže a s objemovými změnami způsobenými změnou vlhkosti v průběhu životnosti konstrukce.

Celá montáž konstrukce je rozdělena do několika fází. Jako první krok je nutno přivařit k hlavní ocelové konstrukci části kotev, ke kterým se pomocí propojovacích kusů připojí dřevěné sloupy. Protože požadavky na přesnost obvodového pláště jsou vyšší než na přesnost ocelové konstrukce, je nutné geodeticky vytýčit body pro přivaření kotev. V zakřivených částech je nutné provést body pro každé místo kotvení. Pro tyto účely je nutno vytýčit téměř 1300 bodů. Pomocí těchto bodů může dojít k přivaření části kotevních prvků. Do předem vyvrtaných otvorů a zářezů ve sloupech se osadí protikusy kotvy, které se při montáži vzájemně propojí pomocí rektifikovatelných prvků s částí přivařenou k ocelové konstrukci. Použití přesného strojního opracování umožní použití tesařských spojů pro usnadnění montáže. Ve sloupech jsou vyfrézovány dlaby, do kterých se z vnější strany zasouvají paždíky, které jsou na koncích opatřeny čepy. Celý tento spoj je z vnější strany zajištěn vruty. Toto řešení výrazně urychluje montáž a zvyšuje přesnost. Diagonála, která je umístěna mezi paždík a sloup, je bez speciálního opracování a je pouze zajištěna vruty. Tento systém umožňuje poměrně rychlý postup montáže. Vysoká pozornost je věnována ochraně konstrukce. Dřevěné prvky jsou překryty plachtou z vnější strany proti působení povětrnosti. Z vnitřní strany se prvky ochraňují, aby v průběhu výstavby nedošlo k poškození od ostatních profesí.