Konstrukční vady a poruchy dřevostaveb
Z množství realizovaných dřevostaveb a pozitivních zkušeností s jejich užíváním je zřejmé, že dřevo a materiály na bázi dřeva patří k efektivním konstrukčním materiálům pro střešní, stropní a stěnové konstrukce rodinných a bytových domů a dalších typů občanských staveb. V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretického řešení, navrhování a realizace nosných dřevěných konstrukcí domů řešených na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně. Jedná se o konstrukce rodinných domů, obytných domů, horských a rekreačních objektů.
1 Úvod
Z množství realizovaných dřevostaveb a pozitivních zkušeností s jejich užíváním je zřejmé, že dřevo a materiály na bázi dřeva patří k efektivním konstrukčním materiálům pro střešní, stropní a stěnové konstrukce rodinných a bytových domů a dalších typů občanských staveb.
Základním předpokladem pro úspěšnou realizaci a předpokládanou spolehlivou funkčnost těchto objektů je podrobná projektová dokumentace, kvalitní výroba stavebních prvků a dílců a kvalitní provedení stavby. Vady a následné poruchy mohou spočívat jak v nedokonalé dokumentaci (v některých případech dokonce chybějící), tak v procesu výroby a montáže.
V příspěvku jsou shrnuty poznatky z teoretického řešení, navrhování a realizace nosných dřevěných konstrukcí domů řešených na Ústavu kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně [1], [2]. Jedná se o konstrukce rodinných domů, obytných domů, horských a rekreačních objektů.
V nosných konstrukcích domů jsou obvykle používány prvky a dílce vyrobené z rostlého dřeva, lepeného lamelového dřeva, lepeného rostlého dřeva a v některých případech prvky profilového průřezu (například typu STEICO, profily vyrobené z materiálů na bázi dřeva, případně i další typy). Pro plošné dílce jsou, kromě nejčastěji používaných materiálů (dřevotřískových a dřevovláknitých desek, sádrovláknitých a sádrokartonových desek), rovněž používány křížem lamelované desky.
Jako spojovací prostředky se u rodinných a obytných domů uplatňují tesařské spoje a spoje kolíkového typu (ponejvíce hřebíky, svorníky, vruty, sponky a ocelové spojovací elementy). V případě individuálních staveb větších rozpětí a objektů působících v podmínkách výskytu zatížení velké intenzity mohou být výhodně použity kolíkové spoje s vnitřními styčníkovými plechy. V prostorových styčnících, kdy je potřeba vzájemně spojit několik prvků (obvykle sloupů, příčných a podélných průvlaků, výztužných prutů, a v napojení na střešní konstrukci pak rovněž krokví a vaznic), mohou být spojovací elementy řešeny pomocí svařovaných ocelových prvků [5].
2 Prostorové působení objektu
Obecným požadavkem, který musí splňovat každá konstrukce dřevostavby je její bezpečná únosnost a použitelnost. Splnění těchto zásadních hledisek se prokazuje již při návrhu konstrukce, zpravidla ve smyslu norem pro navrhování stavebních konstrukcí. Z hlediska realizace staveb musí být dodrženy požadavky norem a předpisů pro provádění konstrukcí a staveb. Z průzkumu řady dřevostaveb lze vyvozovat, že mnoho vad a poruch je způsobeno i nedostatečně zpracovanou realizační projektovou dokumentací (v řadě případů nejsou řešeny důležité konstrukční detaily, například uspořádání spojovacích prostředků v přípojích, konstrukční provedení styků, návaznosti součástí stavby na nosnou konstrukci a podobně). Z hlediska uživatelské hodnoty stavby je rozhodující kvalita výroby prvků a dílců a provedení montážních prací. Nedostatečná únosnost spojů se zpravidla projeví na nevyhovující únosnosti stavby, a to v některých případech v poměrně krátké době od zprovoznění stavby (někdy již při montáži).
Nosný systém dřevostaveb je tvořen více elementy, které musí být navzájem účinně spojeny tak, aby bylo zajištěno přenesení všech účinků zatížení do podpor a základů budovy. Mezi základní konstrukční detaily dřevostaveb patří detaily konstrukcí střešních, stropních a stěnových. Konstrukční řešení detailů závisí na skladbě a typu nosného systému dřevostavby, na druhu spojovaných materiálů a na použitém typu spojů. V případě detailů nosného typu je rozhodujícím hlediskem dostatečná únosnost. Tyto detaily je nutné řešit tak, aby vyhovovaly ustanovením norem pro navrhování konstrukcí, včetně požární bezpečnosti. U detailů, které musí vyhovovat i dalším požadavkům, zejména stavebně fyzikálním (omezení tepelných mostů, zabezpečení vodotěsnosti, odvětrávání a dalším), je nutné respektovat jak hledisko stavebně fyzikální funkčnosti, tak bezpečné únosnosti. Poměrně často se v konstrukcích domů, v souladu s architektonickým řešením objektu i požadavky investora, vyskytují stěny s velkými prosklenými plochami. Řešení je zpravidla možné, musí však být zabezpečena dostatečná prostorová stabilita konstrukce, včetně odpovídajících konstrukčních detailů.
Na obr. 1 je uveden příklad dřevostavby s velkými prosklenými otvory ve štítových stěnách. Původně navržená konstrukce vykazovala nevyhovující prostorovou tuhost projevující se nepřípustnými vodorovnými deformacemi již v době montáže. Zabezpečení dostatečné tuhosti bylo provedeno ve fázi montáže dodatečným vložením ocelového rámu z tenkostěnných profilů v oblasti štítové stěny a posílením přípojů vybraných prvků nosné konstrukce.
Obr. 1 – nosná dřevěná konstrukce rodinného domu – pohled na štítovou stěnu, ve které budou osazena velkoplošná okna, tvořící podstatnou část plochy stěny. Smyková tuhost stěny není dostatečná.
Obr. 2 – výpočtový model nosné dřevěné konstrukce domu
Obr. 3 – výpočtový model – výztužné ocelové rámy, zajišťující dostatečnou prostorovou tuhost domu.
Obr. 4 – dodatečně vložené výztužné ocelové rámy, zajišťující dostatečnou prostorovou tuhost domu. Rámy sice zasahují částečně do interiéru, ale nenarušují průhled štítovou prosklenou stěnou.
Obr. 5 – zvýšení prostorové tuhosti stěn pomocí ocelových zavětrovacích pásů v případě osazení velkoplošných oken a z toho pramenící nedostatečné smykové únosnosti samotné panelové stěny.3 Vady a poruchy konstrukčního charakteru
U konstrukcí dřevostaveb se můžeme setkat s řadou vad a poruch, které mají různý stupeň závažnosti, a to od problémů charakteru převážně estetického až po vady a poruchy výrazně zhoršující funkční a užitné vlastnosti i komfort domů v důsledku nedostatečné funkce nosného systému.
Mezi vady a poruchy s nejvyšší četností výskytu náleží především nedostatečná únosnost a tuhost spojů a vzájemných přípojů prvků nosného systému, respektive opláštění stěn a stropů, použití nevhodného materiálu a chybný konstrukční návrh konstrukčního detailu nebo jeho provedení.
Nedostatečná únosnost, případně tuhost spojů a přípojů je často způsobována nedodržením navržených vzdáleností spojovacích elementů a jejich počtu ve spoji, podhodnocením kotvení, vzájemným reálným nespolupůsobením spojovacích prvků nebo neodpovídajícím zohledněním poddajnosti spoje na deformaci konstrukce nebo jejich částí.
Používání kvalitního konstrukčního dřeva pro stavby se pomalu stává samozřejmým standardem, přesto i v této oblasti dochází k četným problémům. Především se jedná o použití materiálu (řeziva) s nadměrnou vlhkostí, jehož vysychání bývá doprovázeno tvarovými změnami a vznikem trhlin. Můžeme se taktéž setkat s využitím dřeva nízké jakosti, často s oblinami a se zbytky kůry, případně napadeného hnilobou, plísněmi nebo hmyzem.
Nevhodné či přímo chybné řešení konstrukčních detailů může mít za následek poruchy charakteru statického nebo negativní dopad na funkční a užitné vlastnosti i trvanlivost konstrukce a stavby. Do první skupiny náleží například nadměrné oslabení prvků a s tím spojené lokální přetížení, namáhání přídavnými ohybovými momenty od excentrického působení, namáhání příčným tahem a podobně. Do druhé skupiny by bylo možné zařadit například vnikání vlhkosti do konstrukce nebo její hromadění v problémových oblastech, kondenzaci vodních par uvnitř stěnových / střešních prvků, tepelné mosty a jiné [6].
Obr. 6 – detaily nekvalitně vyrobeného lepeného dřeva stropních nosníků: překročení rozměrových tolerancí průřezů, nedodržení rovinnosti povrchu prvků a nadlimitní odchylka pravoúhlosti průřezu.
Obr. 7 – detail lokálního oslabení stojiny stropního nosníku Steico pro průchod instalace. Stojina byla odstraněna beze zbytku, únosnost prvku po úpravě je nedostatečná.
Na následujících obrázcích je představena konstrukce dřevostavby rodinného domu (realizace v roce 2013), kde úroveň zpracování, kvality provedení konstrukce i celé stavby i četnost vad dosáhla naprosto nebývalé úrovně. S lehkou nadsázkou by tuto stavbu bylo možné pokládat za přímo učebnicový odstrašující příklad, jak by realizace dřevostavby neměla vypadat.
Obr. 8 – pohled na dřevěnou konstrukci. Sloupky jsou osazeny v proměnných vzdálenostech přibližně v rozmezí 0,70 až 0,85 m. Přípoje desek OSB ke sloupkům je provedeno ve vzdálenostech cca 300 mm, styky desek jsou mimo sloupky a jsou volné.
Obr. 9 – detail vzájemného stykování stěnového opláštění konstrukce deskami OSB – horizontální i vertikální spoje desek jsou volné, v mnoha případech se spárou.
Obr. 10 – pohled na sloupky nosného systému. Opláštění deskami OSB je připojeno pouze ke krátkým příložkám sloupů délky přibližně 0,30 m.
Obr. 11 – detail nosného sytému – horní horizontální pás rámu stěnového panelu v úrovni stropní konstrukce. Je proveden ze dvou vzájemně nijak nespojených prvků (je „vynášen“ podporovanou stropní deskou OSB).
Obr. 12 – detail sloupku v dolní části a jeho přípoje k prahu. Sloupek obsahuje nepřípustné obliny a kůru. K prahu je kotven jedním hřebíkem s hladkým dříkem (spíše hřebíkem montážním). Základová deska vykazovala výrazné odchylky od vodorovné roviny, následně byla nadbetonována. Některé prahové prvky byly zality do betonu zcela, jiné pouze částečně a některé zůstaly nad dodatečnou betonovou vrstvou.
Obr. 13 – detail přípoje opláštění – desky OSB k podpůrným prvkům. Deska je připojena pouze na příčné straně, podélná hrana je pouze přisazena a je zcela volná.
Obr. 14 – montáž stropních desek OSB na dolní pasy příhradových vazníků. Z obrázku je zřetelně vidět způsob vzájemného spojování desek krátkým páskem – odřezkem desky OSB.
Obr. 15 – zateplování obvodových stěn pěnovým polystyrénem bylo prováděno na stěny, u nichž nebylo ještě kompletně dokončeno opláštění deskami OSB. Štítová stěna byla následně opatřena opláštěním OSB se zateplením, u podélných stěn byla skladba stěn v horní úrovni na výšku přibližně 0,40 m „mírně“ upravena vynecháním desek OSB.
Mezi méně početnou, avšak významnou kategorii staveb ze dřeva pro bydlení můžeme zařadit stavby srubové, které jsou, z řady hledisek, konstrukcemi velmi specifickými. Mnoho vad a nedostatků, vzniklých při (nezřídka velmi neodborné) výrobě srubů, je po dokončení obtížně opravitelných a často tak může znamenat trvalé zhoršení funkčních i užitných vlastností těchto domů.
Klíčovým faktorem konstrukcí, a srubových staveb nevyjímaje, je zajištění dostatečné horizontální tuhosti celého objektu. U srubů se jedná především o oblast horní úrovně srubových stěn, respektive místo osazení střešní konstrukce. Horizontální prvky stěn v nejvyšší pozici plní současně funkci ztužujících věnců a celou konstrukci tak musejí dokonale sepnout. Tomuto požadavku musí být uzpůsobeno i provedení, a to zejména provedení spojů a přípojů věncových klád. Nezajištění dostatečné spínací funkce znamená následné deformace a ztráty tvaru střechy i samotných srubových stěn. Na obr. 16 je u nedokončené stavby srubu patrné natočení klád stěn i ztráta rovinnosti srubové stěny. Příčinou tohoto stavu je právě nedostatečné spínací funkce věncových prvků.
Obr. 16 – pohled na srubové stěny, zborcené v důsledku nedostatečné spínací funkce věncových prvků, respektive tuhosti stropů.
Obr. 17 – nadměrná výška srubové stěny v podkroví. Řešení neumožňuje dostatečný přenos horizontálních sil, vyvozovaných konstrukcí zastřešení.
Nevhodný návrh uspořádání konstrukce srubové stavby je další z řady závažných vad srubových staveb. Často pramení z malé zkušenosti projektanta stavby s touto technologií, kdy snadno dojde k překročení jejich limitů. Příkladem jsou (relativně) vysoké výšky srubových stěn v podkroví, kdy navržené řešení neumožňuje v dostatečné míře přenos horizontálních sil od konstrukce zastřešení (obr. 17). Tuhost této srubové „nadezdívky“ ve vodorovném směru je zabezpečena pouze v místě křížení stěn, respektive nárožními spoji. Důsledkem navrženého řešení je natočení nejvyššího prvku, plnícího funkci pozednice a následná deformace srubové stěny v horizontálním směru, doprovázená rozevřením spár a trvalou deformací, respektive ztrátou rovinnosti střechy. Náprava této vady je omezená, například osazením ocelových tyčí, spínacích srubovou stěnu.
Na obr. 17 je taktéž patrná další z vad u srubových staveb, a to napadení nechráněného materiálu plísní, houbami a hmyzem. S touto vadou se lze setkat u konstrukcí, jejichž realizace probíhá z řady příčin neúměrně dlouho. K degradaci materiálu dochází nejvýrazněji v místech křížových spojů a způsobuje jak snížení mechanických vlastností materiálu, tak především trvalé zasažení a poškození konstrukce houbami a plísněmi.
Důležitým konstrukčním detailem u srubů je osazení jednotlivých klád na sebe. Provedení spojů by mělo zajistit trvalou těsnost spár i při postupném sesychání dřeva. U přesahů klád v exteriéru je ovšem třeba zohlednit vliv venkovního prostředí, kdy proměnná vlhkost prostředí i přímé působení dešťové vody způsobují objemové změny dřeva. Sesazení klád v těchto oblastech tedy musí být provedeno, na rozdíl od vnitřních částí, s dostatečnou vzájemnou vůlí, neboť těsný kontakt klád v přesazích vyvolává v důsledku bobtnání dřeva rozevírání spár mezi kládami ve stěnách. Problémové řešení těsně sesazených přesahů klád je zřejmé z obr. 18.
Nevhodné provedení konstrukčních detailů je další z vad při realizaci srubových staveb. Velmi častým případem je nadměrné oslabení prvků v místech přípojů. Názorným příkladem je detail připojení stropních nosníků na výměnu v prostoru schodiště. Základní průřez je v místech napojení oslaben na cca 15–20 % původní plochy a zatížení z podstatné části stropu je v konečném důsledku přenášeno profilem 100 × 100 mm (obr. 19).
Obr. 18 – detail styků přesahujících konců klád. Těsné sesazení následně způsobí rozevírání spár mezi kládami.
Obr. 19 – provedení přípojů stropních nosníků na výměnu schodiště. Je patrné nadměrné oslabení prvků v místech spojů.
4 Závěr
Stavební objekty s dřevěnou nosnou konstrukcí patří k progresivním a perspektivním systémům. V rámci průzkumu a posuzování těchto konstrukcí se však setkáváme i s případy výskytu vad a závažných poruch, které negativně ovlivňují bezpečnou únosnost a použitelnost staveb.
Mechanické spoje jsou součástí prakticky všech typů dřevěných konstrukcí. Na celkové chování konstrukce má vliv poddajnost spojů v přípojích a stycích nosných prvků a poddajnost podpor v místech uložení dřevěné konstrukce na spodní stavbu. V závislosti na typu konstrukce může být vliv poddajnosti spojů na únosnost a přetvoření konstrukce podstatný. Konstrukčnímu řešení detailů je proto třeba věnovat náležitou pozornost jak v projektové dokumentaci, tak při výrobě a montáži.
Cílem příspěvku je poukázat na některé vady a následné poruchy vyskytující se při navrhování a provádění dřevostaveb, které významně snižují jejich kvalitu. Do příspěvku byly zařazeny některé typické vady související s nedostatečnou prostorovou tuhostí konstrukcí i vady lokálního charakteru.
5 Literatura a použité materiály
- [1] MYSLÍN, J., STRAKA, B., MELCHER, J. Dřevěné systémy objektů pro rodinné bydlení, In: Sborník příspěvků z XI. mezinárodní vědecké konference Fakulty stavební VUT v Brně, CERM Brno, 1999, s. 25–28, ISBN 80-214-1436-7.
- [2] MELCHER, J., STRAKA, B., KARMAZÍNOVÁ, M., TUTKO, I., ŠMAK, M. Návrh, experimentální ověření a realizace nosné dřevěné konstrukce rodinných domů, Zborník referátov, V. Medzinárodné sympózium, Kočovce, Slovensko 1995, s. 315–331.
- [3] KOLB, J. Dřevostavby-Systémy nosných konstrukcí, obvodové pláště. Překlad Koželouh, B., Grada Publishing a.s., Praha, 2008, ISBN 978-80-247-2275-7.
- [4] STRAKA, B., ŠMAK, M. Vybrané příklady použití dřeva v nosných konstrukcích, materiály pro stavbu, 9/2010, s. 22–27, ISSN 1213-0311.
- [5] Ústav kovových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební VUT v Brně, STRAKA, B., ŠMAK, M.: Návrh dřevěné nosné konstrukce horského penzionu, Brno, březen 2010.
- [6] VAVERKA, J., HAVÍŘOVÁ, Z., JINDRÁK, M. a kol. Dřevostavby pro bydlení, Grada Publishing a.s., Praha, 2008, ISBN 978-80-247-2205-4.
- [7] STRAKA, B., NOVOTNÝ, M., KRUPICOVÁ, J., ŠMAK, M., ŠUHAJDA, K., VEJPUSTEK, Z. Konstrukce šikmých střech, Grada Publishing a.s., Praha, 2013, ISBN 978-80-247-4205-2.
This paper is concerned with selected defects and failures of timber buildings. The paper is based on the findings of theoretical, implementation and realization work of loadbearing systems used for timber houses.
Due to the fact that the load-bearing capacity and deflections of timber structures are considerably affected by the load-bearing capacity of joints, it is desirable to verify the influence of structural design of connectors on the overall behaviour of structural systems.Findings from behaviour of structures after their rehabilitation are crucial for further research into real behaviour of timber structures. The paper contains authors, conclusions from designing, realization and exploration of selected building structures.
