Vybrané problémy současných krovů
Přehrát audio verzi
Vybrané problémy současných krovů
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
V současné době se setkáváme s různými poruchami krovů, které plynou ze špatného návrhu a nepochopení statického působení konstrukce. Návrhy provádí projektanti, kteří mnohdy nejsou statiky a neznají základní typy ani konstrukční principy nutné pro návrh krovu. V minulosti krov stavěli tesaři, podle vžitých pravidel, a navíc měli velké zkušenosti, jak zacházet se dřevem, tak i s konstrukcí.
1. Úvod
Tradiční konstrukce krovu vychází ze zkušeností starých tesařských mistrů. Nejčastěji se setkáváme buď s hambalkovými, nebo vaznicovými krovy, záleží na rozpětí nosných konstrukcí. Pokud chceme, aby krov vyhovoval podmínkám bezpečnosti, musíme znát jeho statické schéma a určit správně okrajové podmínky.
Nutno poznamenat, že klasický krov, tak jak ho chápeme u nás, se liší od krovů stavěných v Asii, Africe, Americe i v mnoha evropských zemích. Zde je výrazný vliv geopolitického uspořádání našeho regionu z dob gotiky, renesance a později ze spojení v Rakousku-Uhersku.
2. Zatížení a statické namáhání krokví
Při zatížení krovu se setkáme se zatížením stálým (tíha nosné konstrukce, izolační vrstvy a krytiny) a se zatížením proměnným – sníh, vítr, (FVE). Proměnné zatížení působí rozdílně a způsobuje různá namáhání.
Sníh uvažujeme, že působí svisle dolů na půdorysný průmět. Navíc může být jiný na jedné polovině střechy než na druhé. Všichni máme na paměti rok 2006, kdy vlivem postupného roztávání a namrzání sněhu došlo k dramatickému nárůstu zatížení a následnému pádu nebo porušení střešních konstrukcí. Jenom v České pojišťovně bylo hlášeno několik tisíc pojistných událostí [1]. Nutno poznamenat, že klasické krovy byly porušeny výrazně méně než lehké ocelové.
Vítr – působí kolmo na rovinu střechy a jednotlivé části jsou namáhány tlakem nebo sáním. Nutno poznamenat, že výrazně horší je sání, kdy je část nebo celá střecha odnesena mimo budovu. U střech s větším sklonem je sání výrazně menší než u střech plochých.
Krokev je prvek, který je v každé konstrukci krovu. Proto je dobré vědět, jak je namáhána od různého zatížení při různém sklonu. Na obr. 1 můžeme vidět závislost namáhání (ohybového a tlakového) v závislosti na sklonu střechy.
Na obr. 2 je vidět, které zatížení a při jakém sklonu způsobuje největší namáhání.
Obr. 1. Přenos svislého zatížení v krokvích
Obr. 2. Poměr napětí od zatížení v krokvích
3. Základní statické rozdělení krovů
Krovy můžeme rozdělit do dvou základních typů podle způsobu přenášení zatížení [2]
- prosté krokevní soustavy – hambalkový krov – krokve přímo podepřeny pozednicí a zdí,
- vaznicové soustavy – ležatá, věšadlová, vzpěradlová, stojatá stolice (soustava) – krokve podepřeny pozednicemi a vaznicemi se sloupky s vaznými trámy.
Prosté krokevní soustavy
Obr. 3 Schéma hambalkového krovu
1 – pozednice; 2 – krokev; 3 – hambalek; 4 – příložka; 5 – táhlo z pásové oceli; 6 – přetočená pásová ocel; 7 – ztužení v rovině krokví; 8 – ztužení v rovině hambalků
Hambalkový krov
Jedná se o nejrozšířenější soustavu, která má převážně podpory po obvodě konstrukce. Klasický jednoduchý typ (viz obr. 3) bez vzpěradel a věšadel lze použít při rozpětích do 6 až 8 m.
Statické působení tohoto systému je jednoduché, i když trochu neočekávané (obr. 3). Hambalek je tlačen, přestože bychom se mohli domnívat, že je tomu naopak (vždyť se nám krokve od sebe chtějí roztáhnout a musíme je stáhnout). Zde je důležitou podmínkou, že kotvení krokví dole na zdi nesmí dovolit vodorovný posun. A to nemusí být vždy splněno. Pokud nedokážeme vodorovnou sílu zachytit, pak hambalek bude působit jako kleština a bude tažený. Pokud na to není spoj dimenzován, může dojít k jeho roztržení. V ojedinělých případech může dojít v hambalku k malému tahu při silném sání od větru. Aby tento spoj přenesl i tah, dělali ho v minulosti na rybinu (obr. 4).
Obr. 4 Rybinový spoj hambalku a krokve
V současné době je velmi oblíbený, protože umožňuje využít podkroví a není nutné přizpůsobit dispozici nosným sloupkům krovu. Tato konstrukce má svá specifika, na které hlavně architekti mnohdy zapomínají.
Z hlediska nepochopení působení konstrukce se setkáváme s následujícími nešvary:
- hambalek je dělán jako kleština – dva trámy přichycené zboku na krokev. To jasně ukazuje na nepochopení statického působení. Takový spoj přenáší tlak i tah pouze střihem svorníku, což nemusí být dostačující.
- často se stává, že stropní konstrukce je pouze na části půdorysu, což má za následek, že vodorovná síla je zachycena pouze ohybovou tuhostí stěny, v lepším případě železobetonového věnce, který ale na to není dimenzován.
V následujícím obrázku 5 je typický příklad chybného prvotního návrhu. Červeně orámovaný prostor je bez stropní konstrukce. Obvodová stěna je prolomena otvory téměř přes celou výšku. V podkroví je postavena stěna s věncem na délku 12 m. Z toho důvodu byla do konstrukce přidána táhla, které zajišťují stěnu proti vyklopení. Táhla jsou kotvena do stropní konstrukce a v místě volného prostoru byly vloženy dva nové dřevěné trámy pro zakotvení táhel. Věnec je nutno dimenzovat s výztuží na bocích (vnitřní a vnější plochy).
Obr. 5 Nový objekt s hambalkovým krovem
Vaznicový krov
Pokud bychom šli chronologicky, pak nejstarším typem je ležatá stolice a její varianty (věšadlová, vzpěradlová). Později se přechází na stojatou, která je méně náročná na tesařskou zručnost [3, 4, 5].
Obr. 6 Ránkův krov – ležatá stolice, doplněná táhly, je věšadlová stolice
Ležatá stolice
Nejtypičtějším představitelem je Ránkův krov (obr. 6).
V roce 1831 pražský tesař Ránek vyhrál státní zakázku na zastřešení staveb financovaných císařstvím CK Rakouska-Uherska. Hlavní výhoda spočívala v posunutí vzpěr před krokve a celkové uvolnění dispozice podkroví. Krátké šikmé vzpěry zajišťují tuhost v příčném směru, pásky v podélném směru.
Obr. 7 Věšadlový krov
1 – krokev; 2 – vaznice; 3 – sloupek-věšadlo; 4 – vazný trám; 5 – rozpěra; 6 – pozednice; 7 – kleština; 8 – vzpěra; 9 – ztužení v podélné rovině pomocí pásků
Věšadlová stolice
Pokud potřebujeme zajistit ohybovou únosnost vazného trámu a nemáme vnitřní podpory, lze to udělat z ležaté stolice pomocí táhel, které vyvěsí trám do krovu v místě vaznic (obr. 6 a 7).
Mnohdy je věšadlová soustava zaměněna se stojatou stolicí.
Namáhání vazného trámu a sloupků obr. 8 je zcela odlišné než u stojaté stolice (obr. 11).
Obr. 8 Věšadlový krov, vnitřní síly v prvcích krovu – vlevo ohybový moment kNm, vpravo normálové síly kN
Obr. 9 Věšadlový krov – Kladruby
Vodorovná rozpěra (hambalek) je tlačená a proti ní jde šikmá vzpěra. Styky prvků jsou tlačené, a proto jsou používány tesařské spoje. Tuhost krovu v příčném směru zajišťují buď krátké šikmé vzpěry nebo trojúhelník vzpěra, sloupek, vazný trám. Sloupek (táhlo) je tažený a spoj mezi vazným trámem a sloupkem musí být dimenzován na tah (ocelová táhla) viz obr. 9.
Stojatá stolice
Obr. 10 Stojatá stolice – činžovní dům, Praha
Z ležaté stolice se koncem 19. a začátkem 20. století přešlo ke stojaté stolici. Je méně náročná na konstrukční detaily a méně pracná (obr. 9). Nevýhodou je nutnost přizpůsobení vnitřní dispozice poloze sloupků.
Pokud vizuálně porovnáváme věšadlový krov se stojatou stolici, pak zde nepozorujeme významný rozdíl. Přesto oba krovy působí staticky naprosto rozdílně.
Vodorovný prvek kleština je namáhána převážně tahem (od tlaku větru může být kleština tlačena), spoj s krokví je svorníkový a přenáší převážně tahovou sílu.
Sloupek je tlačen – spoj s vazným trámem čep. Namáhání sloupku a vazného trámu závisí na geometrii krovu, spoji sloupku se vzpěrou a možnému posunu pozednice. Čím je pozednice pevněji držena, tím můžeme očekávat menší síly ve sloupku i vazném trámu.
Obr. 11 Stojatá stolice, vnitřní síly v prvcích krovu – vlevo moment, vpravo normálová síla
4. Poruchy vzniklé nevhodným návrhem
Nová srubová stavba (zkroucení vaznic)
Obr. 12 Srubová stavba s věšadlovou/stojatou stolicí
Obr. 13 Příčný nosný systém
Obr. 14 Staticky problematické části konstrukce
Posuzovaný objekt je rozestavěná srubová stavba s poruchami (obr. 12 až 15). Jedná se o jednopatrový dům se sedlovou střechou a částečným podkrovím. Srubovina končí v úrovni stropu podkroví. Na ní jsou postaveny stojky a na nich leží pozednice. Krov má střední vaznice a na jedné straně je protažen a podepřen venkovní vaznicí. Vaznice jsou podepřeny sloupky, vzpěrami a rozpěrou.
Polovina domu má obytné podkroví s dřevěným trámovým stropem uloženým na vrchu sruboviny, druhá má otevřený krov. Krov je hoblovaný pohledový.
Objekt vykazoval poruchy v oblasti otevřeného krovu (kroucení vaznic) a následně střešní krytiny. První opatření spočívala v zesílení spojů pomocí ocelových prvků. Jedná se o spoje mezi vaznicemi a sloupky. Oprava pomocí ocelových úhelníků včetně nového přeložení střešní krytiny byla provedena v létě 2023 – viz obr. 15. Krov i po opravě vykazuje pohyb. Jedná se o vodorovný posun střešních rovin (rozevíraní krokví) a kroucení vaznic v přední polovině domu (bez stropu).
Krov má střední a okrajové vaznice s věšadlovou nebo stojatou stolicí.
Střešní krytina je betonová skládaná na latě a podbití. Hlavním nosným prvkem krovu jsou dvě plné vazby a štítové stěny ve vzdálenosti cca 4,5-3,6-3,6 m. V části s podkrovím (stropem) je jedna plná vazba položena na vazném trámu a druhá na příčné stěně. Z toho důvodu mají plné vazby rozdílné tuhosti a jinak se i chovají. Střední vaznice jsou v plných vazbách podepřeny šikmými vzpěrami, rozpěrou a sloupky. Sloupky a vzpěry jsou uloženy na vazném trámu viz obr. 14. Šikmé vzpěry a horní rozpěra působí tzv. „klenbovým efektem“ a přenáší zatížení do krajů vazného trámu. Důsledkem je, že vazný trám je namáhám převážně tahem a výrazně méně ohybem než u systému se stojatou stolicí. Z toho důvodu ve věšadlové stolici má vazný trám menší dimenze než u stojaté stolice. Krokve jsou staženy kleštinami. Kleštiny jsou (naprosto nelogicky) posunuté cca 10–30 mm pod vaznice (obr. 15 nahoře), a proto nemohou zabránit jejímu zkroucení.
K problémům přispívá i štítová stěna, která nemá vodorovné ztužení v úrovni pozednice. V kombinaci se sloupkovou stěnou nemůže zabránit „rozjetí“ krovu. Zároveň zde nejsou žádné šikmé vzpěry a táhlo, které by účinně bránily vodorovnému pohybu, na rozdíl od šikmých vzpěr a kleštin v plných vazbách.
Obr. 15 Natočení středních a krajních vaznic
Výměna krovu (návrh bez statického náhledu)
Obr. 16 Jednoduchý valbový krov
Jedná se o rekonstrukci starého krovu se dvěma valbami (obr. 16 a 17). Původní krov se středními vaznicemi a rozpěrami byl nahrazen novým se dvěma vaznicemi bez rozpěr (kleštin). Ztužení krovu v příčném směru není žádné a krov drží jenom díky krajním valbám. Velmi krátce po provedení došlo ke zkroucení vaznic i nastavovaných vazních trámů (obr. 18).
Obr. 17 Původní konstrukce s rozpěrami, nová konstrukce – bez rozpěr
Obr. 18 Natočení střední vaznice a narušený tahový spoj vazného trámu
Pootočení vaznic
Je zde několik hlavních příčin:
- průřez není uchycen ke spodním kleštinám, nebo rozepřen rozpěrou (hambalkem)
- vysychání dřeva vede k samovolnému zkroucení
- uložení krokví v horním rohu vede ke vzniku kroutícího momentu sil. To podporuje i velká výška průřezu, která zvětšuje excentricitu tlakové normálové síly v krokvi (obr. 19).
Obr. 19 Síly působící na vaznici – kroutící moment k těžišti Cg je Mx = Fx . z + Fz . x
Vodorovné „rozjetí“ konstrukce střechy
Vzhledem k excentricitě krokví při vodorovném posunu dojde k natočení vaznice, které ohýbá sloupek směrem dovnitř. Pokud obvodová stěna (sloupky nad srubovinou) nezajišťuje zachycení vodorovných sil, dojde k vodorovnému posunu a zmíněnému natočení vaznic a odklonu sloupků, nebo k jejich velkému ohybovému namáhání (obr. 20, 21).
Obr. 20 Deformace středního sloupku od kroucení vaznice – vznik velkého ohybového momentu
Obr. 21 Odklon sloupkové stěny na srubovině a samostatně stojícího sloupu
Konstrukce krovu je poměrně složitá staticky neurčitá konstrukce. Její řešení závisí zejména na výstižném výpočtovém modelu, geometrii a materiálových charakteristikách. K tomu je nutno správně nastavit geometrické okrajové podmínky (podpory). Nepoměrně menší vliv na vnitřní síly má tuhost styčníků. Rozdíl mezi tuhými a kloubovými styčníky je hlavně ve velikosti lokálních momentů u styčníků. U tuhé varianty jsou výrazně větší, což ale není v souladu se skutečností. Propojení dřevěných prvků je nejčastěji pomocí hřebíků, kramlí, nebo jsou používány různé tesařské spoje (čepování, osedlání, tupý spoj, …). To má výrazně blíže ke kloubovým než tuhým styčníkům.
5. Závěr
Nejdůležitější zásady při návrhu krovu:
- U hambalkového krovu je nutné zachytit vodorovnou sílu na spoji krokví a zdí včetně spoje zdi se stropem.
- U ležatých stolic je většina prvků tlačených, a proto je nutné ohlídat spoje [3–6].
- U věšadlových stolic je nejdůležitější pochopit statické působení a uvědomit si, že sloupek je tažen.
- U stojatých stolic je namáhání sloupků, kleštin a vazného trámu závislé na spoji krokve s pozednicí. Tento spoj je nutné zajistit proti rozpojení krokve od pozednice. Při zabránění vodorovnému posunu pozednice se statické působení přibližuje ležaté stolici a kleštiny mohou být tlačené jako hambalek.
- Vaznice je nutné zafixovat proti zkroucení příčnými prvky (kleštiny, hambalek).
Literatura
- Fajman, P.; Zelenka, J.: Postřehy k pádům střech v zimě 2006 v návaznosti na jejich spolehlivost, Materiály pro stavbu 2007, 13(8), 54–56. ISSN 1213-0311.
- Vinař J., Kufner V.: Historické krovy: konstrukce a statika, Grada, 2004, ISBN 80-7169-575-0.
- Gerner M.: Tesařské spoje, Grada, 2003, ISBN 978-80-2470-076-2.
- Muler P., Tobek A., Kohout J.: Tesařství z pohledu dneška, Grada, 1996, ISBN 978-80-7169-413-7.
- Jelínek R., Červený P.: Tesařské konstrukce, informační centrum ČKAIT, 2021, ISBN 978-80-88265-34-4.
- Fajman, P.; Kunecký, Jiří; Hasníková, Hana: Navrhování celodřevěných tesařských spojů, Konstrukce 2015, 13(4), 105–108. ISSN 1213-8762.
Currently, we see various roof truss defects resulting from poor design and misunderstanding of the static effects of the structure. Designs are carried out by designers who are often not structural engineers and do not know the basic types or design principles necessary for roof truss design. In the past, roof trusses were built by carpenters according to established rules, and they also had extensive experience in working with wood and construction.