Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Křížem vrstvené dřevo s mechanickými spoji

V poslední době se při realizaci dřevostaveb začíná stále více uplatňovat masivní deskový systém z křížem vrstveného dřeva. V současnosti je nejrozšířenějším způsobem spojování jednotlivých vrstev tohoto deskového systému celoplošné lepení pomocí polyuretanových, fenolických a melaminových lepidel se spotřebou přibližně 0,2 kg/m2.
Alternativou lepícího procesu je využití mechanických spojovacích prostředků. Vzhledem k minimalizaci množství použitého lepidla pouze na podélné napojení lamel zubovitými spoji je výrazně snížen obsah chemických látek zabudovaných v konstrukci. Mechanické spojovací prostředky mají též pozitivní vliv na požární odolnost křížem vrstveného dřeva s ohledem na možné odpadávání jeho příčných vrstev.
V příspěvku jsou prezentovány výsledky výzkumu a vývoje inovativního systému spojování vrstev křížem vrstveného dřeva pomocí vrutů včetně provedených mechanických zkoušek a možné postupy výpočtu konstrukčních prvků.

1 Úvod

Křížem vrstvené dřevo (CLT) tvoří nový perspektivní konstrukční výrobek získávající popularitu díky svým technickým parametrům, které mu dávají nejen velkou svobodu v architektonickém řešení konstrukcí rodinných domů, ale nabízejí také široké využití pro realizace halových objektů a vícepodlažních staveb.

CLT panely jsou obvykle složeny z lichého počtu vrstev (minimálně třech), které jsou osazeny kolmo na vrstvy sousední. Propojení vrstev je zajištěno slepením, či spojením pomocí mechanických spojovacích prostředků. Pro výrobu se v současnosti nejvíce využívá jehličnatých dřevin (smrk, borovice, jedle), ovšem vzhledem k postupné obměně druhové skladby lesů v ČR lze v budoucnu očekávat širší zastoupení listnatých dřevin (akát, buk, dub).

2 CLT panely s mechanickými spojovacími prostředky

Výroba panelů

Sestavování a opracování panelů probíhá na automatizovaných CNC obráběcích linkách, čímž je významně urychlena výroba i následná montáž na místě stavby a nevznikají problémy s opracováním prvků a přesnostmi osazení spojovacích prostředků.

Základní surovinou pro výrobu jsou prkna a fošny jehličnatých dřevin tloušťky od 10 do 50 mm a šířky od 60 do 240 mm, pocházející z okrajových částí kmenů stromů. Po vysušení na vlhkost přibližně 12 % se provádí strojní, popřípadě vizuální třídění dřeva. Pro vnější vrstvy je nutno použít dřevo přepsané pevnosti třídy minimálně C24 (dle ČSN EN 338). Následuje vyřezání částí lamel, v nichž se vyskytují vady, negativně ovlivňující parametry materiálu. Lamely jsou podélně slepeny pomocí zubovitých spojů (dle ČSN EN 385), při nutnosti dodržení podmínky minimálního odsazení spojů o 1/3 šířky lamely (dle ČSN EN 386). Posléze jsou ohoblovány ze všech stran. Boční strany mohou být spojeny pouze na sraz, na pero a drážku, či kónicky. Po složení lamel do vrstev jsou na sebe vrstvy ukládány tak, aby jejich směr byl navzájem kolmý. V místech křížení jsou osazeny mechanické spojovací prostředky propojující jednotlivé vrstvy. Množství použitých vrstev, rozmístění spojovacích prostředků a jejich počet je dán statickými požadavky. Pro zvýšení únosnosti jsou směry vláken vnějších vrstev stěnových panelů orientovány rovnoběžně s vertikálním zatížením. Obdobně jsou pro stropní a střešní panely vnější vrstvy orientovány rovnoběžně se směrem rozpětí. Po finálním opracování je výrobek připraven k expedici na místo stavby. Podle požadavků je CLT panel dodáván ve 3 možných třídách optické kvality: nepohledová, průmyslová a pohledová. Maximální rozměry jsou odlišné v závislosti na technologickém vybavení konkrétního výrobce a možnostech transportu. Standardně lze dosáhnout šířky panelu 3,5 m, tloušťky 0,4 m a délky až 12,5 m. V případě potřeby větší délky se již smontované panely v podélném směru nastavují pomocí zubovitých spojů. Vzhledem k odlišné technologii výroby, na rozdíl od lepených panelů nevznikají nadbytečné prořezy, ani odpady.

Montáž na staveništi probíhá obdobným způsobem, jako je tomu u panelů lepených. Prvky jsou osazeny spojovacím kováním a vzájemně propojeny. Následuje instalace vnější, případně vnitřní vrstvy opláštění, např. tepelné izolace, sádrokartonu či hliněné omítky. Pokud by byly připojeny k masivním panelům již ve výrobně, mohlo by dojít při transportu na místo stavby k jejich poškození.

Možnosti spojování vrstev panelu

V současnosti je nejrozšířenějším způsobem spojování jednotlivých vrstev panelu celoplošné lepení pomocí polyuretanových, fenolických a melaminových lepidel se spotřebou přibližně 0,2 kg/m2.

Alternativou lepícího procesu je využití mechanických spojovacích prostředků. Vzhledem k minimalizaci množství použitého lepidla pouze na podélné napojení lamel zubovitými spoji je výrazně snížen obsah chemických látek zabudovaných v konstrukci. Mechanické spojovací prostředky mají též pozitivní vliv na požární odolnost křížem vrstveného dřeva s ohledem na možné odpadávání jeho příčných vrstev, viz obr. 3.

K spojení jednotlivých vrstev panelu lze použít dřevěných spojovacích kolíků, vyrobených převážně z bukového, nebo dubového dřeva. Spolupůsobení vrstev je založeno na principu rozdílné vlhkosti materiálů. Do prken, vysušených na vlhkost 12 % ± 2 %, jsou vyvrtány otvory, do nichž jsou vlisovány kolíky předsušené na vlhkost 6–8 %. Po zalisování postupně dochází k vyrovnávání vlhkosti a následnému nabobtnávání dřevěných kolíků, zajišťující vzájemné spolupůsobení celého prvku.

Další z variant spojovacích prostředků jsou hliníkové drážkované hřebíky. Lamely mohou být vrstveny na sebe až do tloušťky prvku 340 mm, při použití až patnácti vrstev.

Pro realizaci stropních konstrukcí jsou též z důvodu zvýšení požární odolnosti a zlepšení akustických vlastností využívány spřažené dřevobetonové konstrukce, viz obr. 1.

V rámci spolupráce Univerzitního centra energeticky efektivních budov ČVUT s firmou Dřevostavby Biskup je nyní realizován výzkum inovativního systému spojování vrstev CLT panelů pomocí vrutů.

3 Šroubované CLT panely

Stěnové panely jsou spojovány v křížení lamel vždy minimálně dvěma celozávitovými pozinkovanými vruty. V případě třívrstvého panelu vruty procházejí příčně všemi vrstvami, u panelu pětivrstvého jsou nejprve první sadou vrutů propojeny první tři vrstvy a následně jsou druhou sadou vrutů připojeny dvě zbývající vrstvy. Obdobným způsobem je možné realizovat spojení většího množství vrstev. Mezilehlé vrstvy prken jsou napojovány tak, aby byly překryté jejich spáry. Liché vrstvy prken jsou osazovány vertikálně, sudé vrstvy jsou osazovány horizontálně.

Analytický výpočetní model pro kombinaci tlakového a ohybového namáhání


Šroubovaný panel z křížem vrstveného dřeva lze uvažovat jako mechanicky spojovaný prvek s účinnou ohybovou tuhostí podle informativní přílohy B ČSN EN 1995-1-1.

Na základě této výpočetní metody (tzv. gama metody), založené na teorii lineární pružnosti, jsou pro návrh uvažovány pouze vrstvy lamel osazené ve směru působícího zatížení, propojené mechanickými spojovacími prostředky o tuhosti Ki, které jsou rovnoměrně rozmístěné ve vzdálenostech si.

Pro výpočet účinné ohybové tuhosti průřezu (1) lze potom použít následující vztahy:

(1)
 

(2)
 

kde je

γi
… součinitel poddajnosti spojení 0 < γ ≤ 1
Ki = 2/3 Kser
… modul prokluzu spojovacího prostředku [N/mm].
 

Ohybová tuhost horizontálních vrstev lamel je přitom ve výpočtu zanedbána.

V rámci výzkumu masivních dřevěných šroubovaných CLT panelů již byly provedeny první zkoušky k ověření jejich vzpěrné a výztužné únosnosti a to pro třívrstvý a pětivrstvý stěnový panel, viz obr. 1.

Experimentální stanovení charakteristických hodnot výztužné únosnosti CLT panelů

Obr. 1a: CLT stěny v reálné konstrukciObr. 1b: zkouška CLT stěny s mechanickými spoji v laboratořiObr. 1: CLT stěny v reálné konstrukci a zkouška CLT stěny s mechanickými spoji v laboratoři

V současné době jsou vyhodnoceny zkoušky výztužné únosnosti pro třívrstvé stěnové CLT panely výšky 3000 mm, šířky 2400 mm a tloušťky 81 mm. Jednotlivé lamely byly profilu 170 × 27 mm. Pro jejich spojení byla použita dvojice vrutů 5 × 80 mm v každém křížení lamel. Ke kotvení panelu k podkladní konstrukci byly využity ocelové patky, viz obr. 1.

Výsledný průběh deformace tří odzkoušených CLT stěn v závislosti na vodorovném zatížení je zobrazen na obrázku 2.

Obr. 2: Průběh vodorovné deformace CLT stěny s mechanickými spoji v závislosti na zatížení
Obr. 2: Průběh vodorovné deformace CLT stěny s mechanickými spoji v závislosti na zatížení

Pro vyhodnocení výztužné tuhosti stěnového panelu je nezbytný kontinuální záznam o průběhu zatěžování a deformací, včetně následného odtížení. Po zjištění maximálního vodorovného zatížení Fmax následuje nalezení příslušných vodorovných deformací pro 0,2 Fmax a 0,4 Fmax. Výpočet 5% kvantilů charakteristických hodnot byl proveden z výsledků experimentů statistickou metodou. Stěnové panely se během experimentu výrazně neporušily, byly však dosaženy maximální možná hodnoty vodorovných deformací. Získaná charakteristická hodnota vodorovného zatížení je 31,0 kN a výztužné tuhosti 473 N/mm.

Předmětem dalšího výzkumu bude ověření únosnosti stropních mechanicky spojovaných CLT panelů na rozpětí 5 m, jejich možné použití pro spřažené dřevobetonové stropní konstrukce. Pokračovat též bude výzkum CLT panelů vystavených účinkům požáru. CLT panely též budou zkoušeny v klimatizační komoře pod zatížením při simulaci extrémních klimatických podmínek. Dosažené výsledky budou průběžně prezentovány na seminářích, konferencích a v odborné literatuře.

Obr. 3: Požární zkouška CLT stěny s mechanickými spojiObr. 3: Požární zkouška CLT stěny s mechanickými spojiObr. 3: Požární zkouška CLT stěny s mechanickými spoji

Závěr

Pro návrh křížem vrstveného dřeva s mechanickými spoji nejsou v současné době v evropských normách uvedeny příslušné návrhové postupy. Pro posouzení vzpěrné a ohybové pevnosti nicméně lze využít postupu uvedeného v příloze B části 1-1 Eurokódu 5, tj. ČSN EN 1995-1-1, popřípadě normu ČSN 73 1702, která je modifikovaným překladem německé normy DIN 1052 z roku 2004.

Poděkování

Tento příspěvek byl zpracován za podpory projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 „Univerzitní centrum energeticky efektivních budov“ a projektu SGS13/169/OHK1/3T/11 „Spřažené konstrukce za běžné teploty a za požáru“.

Literatura

  • [1] Gagnon, S.: Pirvu, C.: „CLT Handbook – cross laminated timber“ Canadian edition, FPInnovations, Québec, Vancouver, 2011
  • [2] Nechanický, P.: „Stanovení charakteristických hodnot výztužné (smykové) únosnosti masivních dřevěných panelů“, Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, Praha, 2013
  • [3] Herz, D. et.al.: „Naturholzhäuser, Massiv-Holz-Mauer, Profil-Holz-Elemente“ GT-Systemfertigung GmbH, Lavamünd, Austria, 2012
  • [4] ČSN EN 1995-1-1: (73 1701) Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2006
  • [5] ČSN EN 338: (73 1711) Konstrukční dřevo – Třídy pevnosti, ČNI, Praha, 2003
  • [6] ČSN EN 385: (73 2826) Konstrukční dřevo nastavované zubovitým spojem – Požadavky na užitné vlastnosti a minimální výrobní požadavky, ČNI, Praha, 2002
  • [7] ČSN EN 385: (73 2833) Lepené lamelové dřevo – Požadavky na užitné vlastnosti a minimální výrobní požadavky, ČNI, Praha, 2002
  • [8] ČSN 73 1702: Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí – Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČNI, Praha, 2007
 
Komentář recenzenta Doc. Ing. Antonín Lokaj, Ph.D., FAST VŠB-TU Ostrava

Článek se zabývá vysoce aktuální problematikou mechanických vlastností masivních stěnových a stropních panelů z křížem vrstveného dřeva s mechanickými spoji, které nacházejí uplatnění v moderních vícepodlažních dřevostavbách. Tyto panely představují zajímavou alternativu k masivním panelům z křížem vrstveného dřeva s lepenými spoji, které v současnosti převažují. Kladně hodnotím koncepční přístup autorů příspěvku k analýze stěnové únosnosti těchto panelů, založený na laboratorních testech panelů reálných rozměrů i teoretických výpočtech podle platné legislativy. Autoři rovněž naznačují směry dalšího výzkumu této problematiky. Článek je po obsahové i formální stránce zpracován velmi kvalitně. K článku nemám kritických připomínek. Článek doporučuji ke zveřejnění bez úprav.

English Synopsis

This paper deals with different methods of mechanically connected CLT panels and is focused on the innovative connection system with metal screws. Currently, no regulations for the design of cross laminated timber elements with mechanical fasteners are given in the European standards. This paper presents a computational model which can be used for a combination of compression and bending stress. The first results carried out in cooperation between the University Center of energy efficient buildings CTU and company Dřevostavby Biskup are presented. CLT elements with mechanical fasteners have great potential of utilization in residential and high-rise building constructions.