Co je třeba vědět při navrhování vícepodlažních dřevostaveb
V současnosti se stále více setkáváme s požadavky na realizaci vícepodlažních dřevostaveb, u kterých by dominantně použitým materiálem bylo dřevo a materiály na bázi dřeva. Je to díky tomu, že nové výrobky na bázi dřeva nabízejí tento alternativní způsob výstavby s velkým ekologickým přínosem. Umožněno je to také díky prohlubujícímu se poznání o navrhování konstrukčních systémů vícepodlažních dřevostaveb, především z hlediska jejich únosnosti, tuhosti a požární odolnosti.
1. Úvod
Vícepodlažní dřevostavby vyžadují komplexní pohled na problematiku související s jejich realizací. Při návrhu vícepodlažní dřevostavby se musí od samého počátku návrhového procesu brát v úvahu všechny její části včetně fasády a konstrukčních detailů. Žádná část stavby nemůže, nebo by neměla být navrhována izolovaně od ostatních. Pokud není její návrh správně koordinován, může kterákoliv z jejích částí vychýlit konstrukční řešení z rovnováhy s ohledem na náklady, proveditelnost, užitné vlastnosti i schopnost tržní konkurence. S ohledem na možný rozsah je tento příspěvek především zaměřen na konstrukční systémy vícepodlažních dřevostaveb, které jsou pro jejich možnou realizaci nejdůležitější.
2. Volba konstrukčního systému
V podstatě existují tyto tři možnosti, jak přistupovat k volbě konstrukčního systému vícepodlažní dřevostavby:
- Řídit se konstrukčním systémem a architektonické řešení podřídit tomuto systému.
- Řídit se architektonickým řešením a poté použít vhodný konstrukční systém.
- Většina investorů, architektů a statiků bývá nakloněna volbě kombinace obou předcházejících přístupů a snaží se sledovat vyváženost mezi architekturou a konstrukčním řešením dřevostavby.
Zásadní je výběr stavební typologie, která je vhodná pro zamýšlené využití vícepodlažní dřevostavby. Možnosti dřevěné konstrukce mohou například diktovat ideální rozteče sloupů a výšky nosníků, které budou určovat výšku a případně i flexibilitu jejího celkového návrhu. Nicméně jádro vysoké dřevostavby, které bude pravděpodobně hlavním prvkem odolávajícím vodorovnému zatížení by mělo být celistvé na celou výšku dřevostavby, aby dobře fungovalo. Na druhou stranu přidání dalších vnitřních výztužných stěn může být z hlediska využitelnosti dřevostavby problematické. V těchto případech by mohly být lepší volbou jiné způsoby přenosu vodorovného zatížení. Například obvodové výztužné stěny a rámy. U vysokých staveb jakékoliv konstrukce a jejího materiálového provedení požadujeme, aby sloupy byly, pokud možno, umisťovány průběžné po celé její výšce. Některé dispozice stavby s jejím rozdílným využitím mohou vyvolávat změnu velikosti polí, aby se do nich vešly větší prostory bez překážek, většinou v podobě sloupů. Přestože je to obecně možné, může se to stát nákladným a náročným problémem. Je-li to možné, měly by být prostory s větším rozpětím umísťovány v horních úrovních vícepodlažní dřevostavby, aby se co nejvíce optimalizoval přenos svislého zatížení.
3. Zajištění tuhosti konstrukčního systému
Na volbu konstrukčního systému má velký vliv hmotnost vícepodlažní dřevostavby, která významně ovlivňuje konstrukční návrh. Celkové její proporce (délka, šířka a výška) mají vliv na její stabilitu a ovlivňují řešení její odolnosti proti vodorovnému zatížení. Vyšší vodorovné zatížení v důsledku zatížení větrem nebo zvýšené výšky klade vyšší nároky na konstrukční systém a může zvýšit potřebu výztužných stěn, rámů nebo diagonálních výztuh. Odolnost proti vodorovnému zatížení může představovat značnou výzvu pro flexibilitu a funkčnost návrhu a měla by proto být řešena od prvních studií umístění dřevostavby, její architektonické podoby a koncepce založení a též rozpočtu. V příspěvku je popsáno pět způsobů zajištění příčné tuhosti vícepodlažní dřevostavby. Použití svislých jader, obvodových výztužných stěn, vnitřních výztužných stěn, rámů a diagonálního ztužení. V praxi se samozřejmě běžně používají i jejich kombinace.
3.1 Výztužné jádro
Použití výztužného jádra pro zajištění odolnosti proti bočnímu zatížení je typické pro většinu vícepodlažních staveb, a tedy i pro vícepodlažní dřevostavby. V některých případech vícepodlažních dřevostaveb bude v závislosti na jejich celkové výšce, hmotě a požadavcích na zatížení větrem pro jejich ztužení nutné pouze jádro v jejím středu. Při použití jádra pouze ve středu dřevostavby mají projektanti větší volnost při plánování její dispozice a úpravách návrhu v průběhu celého návrhového procesu. V závislosti na požadavcích stavebních úřadů mohou být jádra konstruována z masivních dřevěných panelů, betonu nebo speciálních rámů.
Výztužné jádro z masivních dřevěných panelů
Pokud má být použito jádro z masivních dřevěných panelů, musí být o tom rozhodnuto v nejranějších fázích procesu navrhování dřevostavby. Tato strategie byla použita např. v případě budovy Wood Innovation and Design Centre (WIDC) v Prince George v Britské Kolumbii, viz obr. 1.
Obr. 1 Model budovy WIDC s jádrem z CLT panelů
Architekti by při plánování dřevěného jádra měli ale pracovat opatrně v souladu se statickým návrhem. Dveřní otvory v jádru mohou být značně omezené a závislé na dostatečné délce panelů, aby bylo dosaženo požadované pevnosti a tuhosti jádra. Celodřevěné jádro se může ukázat jako výhodné, pokud jsou ostatní svislé konstrukční prvky budovy rovněž dřevěné. Hlavní výhodou dřevěného jádra je možnost prefabrikace, použití jednoho druhu materiálu a většinou rychlost montáže.
Výztužné betonové jádro
Tradičně se nejvíce používá betonové jádro či jádra, která se většinou umisťují symetricky v půdoryse dřevostavby, viz obr. 2. Velikost vodorovných zatížení ovlivní rozhodnutí o umístění jádra/jader a o umístění případných dalších výztužných stěn. Centricky umístěná jádra jsou obecně účinnější s rostoucím zatížením a představují nejjednodušší řešení, jak se vyhnout problémům s kroucením budovy v podmínkách vysokého zatížení větrem.
Obr. 2 Výstavba dřevostavby s betonovými výztužnými jádry
3.2 Obvodové výztužné a nosné stěny
Vyztužení dřevostavby po jejím obvodě musí být řešeno s uvážením řešení obvodového pláště a obvykle vede k jejímu horšímu prosvětlení. Obvodové výztužné stěny též vyžadují pečlivou koordinaci s architektonickým řešením. Pravděpodobně „masivnější“ vzhled dřevostavby s vnějším ztužením bude dobře reagovat na zvyšující se požadavky na energetickou náročnost obvodového pláště a větší možnosti provedení zateplení obvodových stěn.
3.3 Vnitřní výztužné a nosné stěny
Vnitřní výztužné stěny jsou rozumným řešením pro ztužení dřevostaveb s pevným půdorysem, kde lze koordinovat umístění stěn a není nutná budoucí flexibilita včetně odstranění těchto stěn, viz obr. 3.
Obr. 3 Dřevostavba s výztužnými a nosnými stěnami z CLT panelů
Přístup založený na vnitřních výztužných stěnách se obecně nejlépe osvědčuje u obytných budov a je méně pravděpodobné, že bude dobře fungovat u budov s jiným účelem využití, např. v kancelářských, školských nebo jiných budovách. Vnitřní výztužné stěny mohou ale i u některých obytných budov omezovat flexibilitu plánování a možnost provádět změny v pozdní fázi projektování nebo po dokončení stavby. To může nastat např. u tržního bydlení, kde jsou někteří developeři závislí na určité flexibilitě dispozice. Jak již bylo zmíněno vnitřní výztužné stěny nejsou praktické pro většinu kancelářských, institucionálních nebo školských budov, kde budou rekonstrukce spojené např. se změnou nájemce v budoucnu omezeny konstrukčním uspořádáním.
3.4 Výztužné rámy
Dřevěné rámy schopné přenášet vodorovné účinky zatížení jsou v případě vícepodlažních dřevostaveb velmi náročné a realizované příklady zatím nejsou známy. V případě potřeby jsou používány pouze rámy ocelové.
3.5 Diagonální ztužení
Diagonální ztužení (obr. 4 a obr. 5) se používá hlavně u těžkých dřevěných skeletů. Poněvadž v tomto případě jsou prvky spojovány na tupý sraz, je ve většině případů pro jejich spojení vhodné využít vsazené ocelové plechy (v terminologii tesařů tzv. žiletkový spoj), viz obr. 4, který má velmi dobrou požární odolnost.
Obr. 4 Spoj s využitím vsazených ocelových plechů
Obr. 5 Výstavba těžkého skeletu dřevostavby s diagonálním ztužením
4. Provedení stropů a stěn
V průběhu návrhu vícepodlažní dřevostavby je třeba uvážit i umístění různých rozvodů mezi podlažími, ve stropech a ve stěnách. Mnoho konstrukčních systémů má určité „směrové“ uspořádání. Díky orientaci panelů a nosníků tak konstrukční systém předurčuje primární směr pro vedení rozvodů, což může způsobovat určité problémy. Například, když jsou panely a nosníky rozmístěny šachovnicově, aby byla dosažena větší tuhost stropu. Řešení potom často vyžaduje použít, pro některé části dřevostavby, podhledy. Obecně podhledy řeší hodně včetně akustiky a požáru. U dřevostaveb jsou ale často potenciálně méně žádoucí, neboť architekti upřednostňují viditelnost dřevěné konstrukce. Nicméně integrovat rozvody přímo do konstrukčních prvků je u vícepodlažních dřevostaveb drahé a obtížně koordinovatelné řešení.
5. Protipožární systémy
S rostoucí výškou dřevostavby je vyžadován sprinklerový systém. Umístění sprinklerů by mělo být zohledněno při řešení konstrukčního systému. Vedle toho se musí řešit požární odolnost nosné konstrukce, která ve většině případů vyžaduje zapouzdření. Zapouzdření se zajišťuje dostatečnou tloušťkou desek na bázi sádry nebo jiných podobných materiálů pro zabránění či omezení zuhelnatění dřeva za požáru, a především omezení rychlosti jeho šíření. Na obr. 6 je možné provedení vícepodlažní hybridní dřevostavby s použitím betonu.
Obr. 6 Možné provedení vícepodlažní dřevostavby
6. Závěr
V případě vícepodlažních dřevostaveb je třeba si uvědomit, že klíčová je především jejich tuhost, požární odolnost a akustika. Na tuhosti pak nejvíce závisí dispozice vícepodlažní dřevostavby.
Vícepodlažní dřevostavby u nás zatím můžeme normativním způsobem realizovat do požární výšky (od podlahy prvního podlaží po podlahu posledního podlaží) 12 m. U těchto dřevostaveb si zatím vystačíme s konstrukcí na bázi lehkého dřevěného skeletu. S rostoucí výškou dřevostaveb bude však třeba používat masivní deskové konstrukční systémy, viz obr. 3 a obr. 6, a konstrukční systémy na bázi těžkého dřevěného skeletu, viz obr. 4 a obr. 5.
V současnosti se též stále více dřevostavby navrhují na principu optimální kombinace dřeva s jinými konstrukčními materiály – betonem a ocelí. První podlaží dřevostaveb bývá obvykle ze železobetonu, viz obr. 2 a obr. 6.
V zájmu zajištění tuhých stropů vícepodlažních dřevostaveb se potom používají kompozitní dřevobetonové stropní konstrukce, pro které jsme již zpracovali evropskou technickou normu, zavedenou u nás jako ČSN P CEN/TS 19103. Jako perspektivní se jeví i používání nosných konstrukčních skeletových systémů ze železobetonu s obvodovými a vnitřními stěnami na bázi lehkého dřevěného skeletu, např. v podobě systému TiCo, vyvinutého na Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze.
Za zmínku stojí, že na UCEEB ČVUT v Praze byl od roku 2022 řešen Rozborový úkol České agentury pro standardizaci s názvem „Vytvoření normativních podmínek požární bezpečnosti pro větší využití dřeva ve stavebnictví“, jehož cílem bylo přispět k vytvoření lepších podmínek pro realizaci dřevostaveb u nás, včetně vícepodlažních. Při řešení této problematiky byla, mimo jiné, řešena možnost využítí evropského a mezinárodního systému požární bezpečnosti a příslušných EN a ISO norem, které již platí, či budou v brzké budoucnosti platit. Evropský systém používá při požární klasifikaci stavebních výrobků a konstrukcí staveb K třídy. Tyto K třídy specifikují účinnost obkladů (např. desek na bázi sádry) při ochraně materiálů pod nimi proti účinkům požáru, viz ČSN EN 13501-2. Stanovení jejich požárně ochranné účinnosti se zjišťuje zkouškami pomocí ČSN EN 14135. Této problematice je věnován příspěvek s názvem „Aktuální stav technické normalizace pro dřevostavby“, který je součástí tohoto sborníku konference.
Poděkování
Tento článek byl zpracován na základě poznatků získaných v rámci řešení Rozborového úkolu České agentury pro standardizaci „Vytvoření normativních podmínek požární bezpečnosti pro větší využití dřeva ve stavebnictví“.Takto byl prezentován na konferenci Dřevostavby ve Volyni a po úpravách na TZB-info.
Literatura
- Kuklík, P.: Dřevěné konstrukce, Praha 2005.
- Karacabeyli, E., – Lum, C.: Technical Guide for the Design and Construction of Tall Buildings.
- ČSN P CEN/TS 19103: Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí – Navrhování dřevobetonových kompozitních konstrukcí – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČAS, Praha 2022.
- ČSN EN 13501-2 Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 2: Klasifikace podle výsledků zkoušek požární odolnosti kromě vzduchotechnických zařízení, ČAS, Praha 2017.
- ČSN EN 14135 Obklady – Stanovení požárně ochranné účinnosti, ČNI, Praha 2005.
Currently, we are increasingly confronted with demands for the construction of multi-story wooden structures, where wood and wood-based materials would be predominantly used. This is due to new wood-based products offering this alternative construction method with significant ecological benefits. This is also made possible by the deepening knowledge about the design of structural systems for multi-story wooden buildings, particularly in terms of their load-bearing capacity, stiffness, and fire resistance.