Statická analýza historických krovových systémov

Úvod

Historické krovy z obdobia od 14. do 19. storočia sa vyznačujú zaujímavými a originálnymi riešeniami priestorovej konštrukcie. Tieto krovy sa odlišujú rôznymi variantami a kombináciami konštrukčných prvkov, ktoré vznikli na základe základných konštrukčných typov, čím sa dosiahla veľká rozmanitosť. Počas tohto obdobia prebiehal postupný vývoj od jednoduchších k zložitejším a sofistikovanejším systémom krovových konštrukcií. Zvláštnu pozornosť si zaslúžia krovy 18. storočia, keď sa v tejto dobe objavili priestorové konštrukčné riešenia, ktoré sa v predchádzajúcich ani nasledujúcich obdobiach v krovových systémoch nevyskytovali.

Základné rozmerové parametre skúmaných historických systémov krovov

Rozmery statických modelov krovov boli definované na základe skutočných meraní konštrukcií historických krovov realizovaných in-situ. Všetky výpočtové modely zdieľali určité spoločné parametre, aby bolo možné relevantne vyhodnotiť výsledky a porovnať správanie sa konštrukcií krovových systémov. Statické modely obsahovali reálne namerané atypické prierezy ako je zrejmé z obrázku č. 1. Na obrázku č. 2 sú základné rozmerové parametre konštrukcií, pri všetkých konštrukčných modeloch zvolené rovnako: šírka 12 m, dĺžka 15 m a výška konštrukcie krovu bola zvolená na základe poznatkov o konkrétnom type konštrukcie krovu.

Obr. 1 – Ukážka rozmerov atypických prierezov uvažovaných v statických modeloch

Obr. 2 – Rozmerové parametre skúmaných modelov

Základné zaťažovacie a materiálové parametre skúmaných historických systémov krovov

V zmysle zachovania podobnosti zaťaženia všetkých konštrukčných modelov bolo uvážené nasledujúce zaťaženie:

• stále zaťaženie ťažšou krytinou (bobrová krytina) s hmotnosťou 70 kg/m²
• ekvivalent zaťaženia snehom 150 kg/m² (v trvalej situácii), zaťaženie sa nemenilo (neredukovalo) vplyvom sklonu strechy
• zaťaženie vetrom pre II. vetrovú oblasť (základná rýchlosť vetra 26 m/s) v smere kolmom na dlhší rozmer budovy (smer 0°)

V rámci statickej analýzy boli vyšetrované tri základné kombinácie zaťaženia s návrhovým účinkom:

• K1 – Vlastná tiaž prvkov + Stále zaťaženie
• K2 – Vlastná tiaž prvkov + Stále zaťaženie + Sneh + Vietor (vedľajšie premenné zaťaženie)
• K3 – Vlastná tiaž prvkov + Stále zaťaženie + Vietor + Sneh (vedľajšie premenné zaťaženie)

V rámci statickej analýzy bol zvolený materiál reziva C24 s príslušnými charakteristikami v zmysle platných noriem.

Analyzované konštrukčné systémy

Vytvorených osem typických statických modelov pre konštrukcie krovov z rôzneho časového obdobia. Tieto modely zahŕňali jednoduché krokvové sústavy z 14. storočia, analyzované boli konštrukcie z 18. storočia, ležatá stolica s päťbokým prahom, ležatá stolica s päťbokým prahom a vešiakom, a manzardová ležatá stolica s päťbokým prahom podľa Johanna J. Shüblera. Statickú analýzu uzatvárajú konštrukcie krovov z prelomu 18. a 19. storočia, ktoré sa zakladajú na rôznych variáciách Rankovho úsporného krovu.

Krokvový krov s hambálkami a šikmými pätnými vzperami, obdobie: 14. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 3 a č. 4.

Obr. 3 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Krokvový krov s hambálkami a šikmými pätnými vzperami

Obr. 4 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Krokvový krov s hambálkami a šikmými pätnými vzperami

Krokvový krov s paralelnými krokvami, obdobie 14. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 5 a č. 6.

Obr. 5 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Krokvový krov s paralelnými krokvami

Obr. 6 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Krokvový krov s paralelnými krokvami

Ležatá stolica podľa Johanna Jacoba Shüblera, obdobie 18. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 7 a č. 8.

Obr. 7 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Ležatá stolica podľa Johanna Jacoba Shüblera

Obr. 8 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Ležatá stolica podľa Johanna Jacoba Shüblera

Ležatá stolica s päťbokým prahom a vyveseným väzným trámom podľa Johanna Jacoba Shüblera, obdobie 18. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 9 a č. 10.

Obr. 9 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Ležatá stolica s päťbokým prahom a vyveseným väzným trámom podľa Johanna Jacoba Shüblera

Obr. 10 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Ležatá stolica s päťbokým prahom a vyveseným väzným trámom podľa Johanna Jacoba Shüblera

Manzardová ležatá stolica s 5bokým prahom podľa Johanna J. Shüblera, obdobie 18. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 11 a č. 12.

Obr. 11 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Manzardová ležatá stolica s 5bokým prahom podľa Johanna J. Shüblera

Obr. 12 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Manzardová ležatá stolica s 5bokým prahom podľa Johanna J. Shüblera

Rankov úsporný krov variant A, obdobie 19. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 13 a č. 14.

Obr. 13 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant A

Obr. 14 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant A

Rankov úsporný krov variant B, obdobie 19. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 15 a č. 16.

Obr. 15 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant B

Obr. 16 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant B

Rankov úsporný krov variant derivát, obdobie 19. storočie, statický model a priečna väzba je na obrázku č. 17 a č. 18.

Obr. 17 – Statický model (axonometria) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant derivát

Obr. 18 – Statický model (priečny rez) konštrukcie krovu – Rankov úsporný krov variant derivát

Statická analýza konštrukcií krovov

Obr. 19 – Priebeh osovej sily kombinácia K2 – Krokvový krov s hambálkami a šikmými pätnými vzperami

Všetky konštrukcie boli podrobne analyzované, ako ukážka priebehov vnútorných síl boli vybrané len niektoré z dôvodu prehľadnosti, viď nasledujúce obrázky.

Ak sa zameriame na skúmané konštrukcie zo 14. storočia, najväčšie hodnoty vnútorných síl sú na krokvách a hambálkoch krovu obrázok č. 19. Je to preto, že práve tieto dva prvky sú dominantnými nosnými časťami krokvových sústav s hambálkami, ktoré majú typickú konštrukciu v tvare písmena „A“ a strmý uhol sklonu strechy (približne 65°).

Pri konštrukciách z 18. a 19. storočia vznikli najväčšie vnútorné sily vo väznom tráme, ktorý je hlavným prvkom barokových krovov. Zároveň je viditeľné, že ležatá stolica s päťbokým prahom podľa Johanna J. Shüblera (na obrázku č. 20) má podobné výsledky ako konštrukcie Rankových úsporných krovov (A; B; derivát) (na obrázku č. 21). Dôvodom je, že Rankov úsporný krov, ako bolo vyššie v texte spomenuté, sa vyvinul práve z tohto typu ležatej stolice.

Obr. 20 – Priebeh osovej sily kombinácia K2 – Ležatá stolice podle Johanna Jacoba Shüblera

Obr. 21 – Priebeh osovej sily kombinácia K2 – Rankov úsporný krov variant A

Záver

Príspevok bol zameraný na statické posúdenie historických konštrukcií krovov z rôzneho časového obdobia. Cieľom statického výpočtu bolo overiť, či konštrukcia krovu spĺňa požiadavky na dané zaťaženie, a analyzovať rozdiely medzi jednotlivými konštrukciami.

Statická analýza potvrdila, že krokvy a hambálky sú najviac namáhanými prvkami v konštrukciách z 14. storočia, zatiaľ čo väzný trám je najviac namáhaným prvkom strešných konštrukcií z 18. a 19. storočia.

Z hľadiska historických krovov je dôležité poznať práve funkciu väzného trámu. V minulosti bol väzný trám dominantným prvkom krovov, pretože prenášal horizontálne sily a zabezpečoval horizontálnu tuhosť krovu. V súčasnom tesárstve sa však tento konštrukčný prvok používa zriedkavo, pretože už nevyhovuje dispozičným požiadavkám podkrovia. Nahradil ho železobetónový veniec umiestnený na okraji striech.

Ak sa zameriame na porovnanie krovov z hľadiska materiálu, Manzardová ležatá stolica s päťbokým prahom podľa Johanna J. Shüblera, vykazuje najväčšiu spotrebu dreva, čo je spôsobené rozsiahlym dispozičným riešením. Konštrukcie z 13. storočia, majú ideálnu a nižšiu spotrebu dreva v porovnaní s barokovými konštrukciami. Vznikom typu barokového Rankovho vyľahčeného krovu sa však podarilo znížiť spotrebu dreva a hmotnosť krovu o približne 40 %.

Poďakovanie

Tento článok vznikol vďaka podpore kolektívu Výskumného centra teoretickej a aplikovanej mechaniky v Telči.

Literatúra a použité zdroje

1. BLÁHA, J. – BUZEK, J. – KYNCL, T.: Atlas historických krovů České republiky. Telč 2020, ISBN 978-80-86-24-6-86-4.
2. SUCHÝ, L., ZACHAROVÁ, D., a kol. Metodika identifikácie a výskumu historických krovov, 1. vyd. Bratislava: 2018. ISBN 978-80-89175-85-7.
3. VONŠOVSKÝ, P: Diplomová práca: Statická analýza střešních konstrukcí 18. století, Praha: 2023.
4. KLOIBER, M., DRDÁCKÝ M., Diagnostika drevených konštrukcií, 1. vyd, Praha: 2015, ISBN 978-80-87438-64-0.