Konstrukce budov ze dřeva

Použití dřeva v bytové výstavbě velmi dobře vyhovuje současným požadavkům na funkčnost a finanční dostupnost bydlení a udržitelnost výstavby z hlediska vyčerpatelnosti surovinových zdrojů.

Současné trendy

K současným trendům v použití dřeva v bytové výstavbě patří především:

• montované rodinné domy
• nízkopodlažní bytové domy
• lehké střešní nástavby

S možnostmi širšího využití dřeva ve stavebnictví u nás souvisí především překonání představy lidí o dřevu jako materiálu, který je vhodný pouze na dočasné stavby.
Nejlepším důkazem trvanlivosti dřeva je tradiční architektura Skandinávie či jihovýchodní Asie. Naproti tomu málo kdo vnímá přírodní erozi u pálených a cementových materiálů.
Je obecně známo, že od r. 1991 je bytová výstavba v ČR v hlubokém útlumu, že dokončené byty nekryjí ani jejich roční úbytek. Přitom dřevostavby by mohly významně přispět k řešení této situace. V ČR je totiž ročně vyráběno několik set montovaných dřevěných domů, které však nacházejí uplatnění převážně v Rakousku a Německu. Zajímavé je, že roční těžba dřeva na obyvatele je v ČR a v USA přibližně stejná. V USA však představují dřevostavby cca 65 % bytové výstavby, zatímco u nás méně než 1 %.
Mezi evropskými státy zaujímá ČR 12. místo v lesnatosti, v zásobě dřeva na 1 hektar je na 4. místě a v ročním přírůstu na 1 ha je na 6. místě. Zejména poslední dva údaje dokumentují, že stav lesů v ČR není zdaleka takový, jak je bohužel často neodborně prezentován. Porovnáním těžby a přírůstu zjistíme, že přírůstové možnosti byly v minulých letech v ČR využity cca ze 75 %.

V Německu připadá na obyvatele 0,13 ha lesů oproti 0,26 ha lesů v ČR a též těžba dřeva na obyvatele je poloviční než v ČR. Roční výstavba dřevěných domů se však pohybuje okolo 30 tisíc, což je cca 7 % celkové bytové výstavby. Z toho cca 1500 bytů je ve vícepodlažních domech.

Podíl dřevostaveb na bytové výstavbě v Rakousku je cca 10 %. Rakousko má dlouholetou tradici v používání dřeva v bytové výstavbě. V současnosti věnuje velkou pozornost uplatnění dřeva při stavbě vícepodlažních bytových domů.

Ve Švýcarsku je podíl dřevostaveb na bytové výstavbě též cca 10 %. Ústřední vláda dlouhodobě podporuje rozvoj vícepodlažních dřevostaveb.
Některé banky podporují snahy po snížení energií například nižšími úrokovými sazbami. Ve Švýcarsku se též prosazuje záměr realizovat v praxi ekologické hodnocení staveb podle metodiky Life Cycle Assessment (Hodnocení životního cyklu), zohledňující komplexní náklady na stavbu za celou její životnost - tj. náklady na její pořízení, provoz a likvidaci.

Finsko, Švédsko, Norsko jsou vzhledem k zásobám dřevní hmoty, špičkovému zpracovatelskému průmyslu a dlouhodobým tradicím nedostižným vzorem pro středoevropské země. V těchto zemích a Dánsku je bytová výstavba na bázi dřeva přes 60 % z celkové bytové výstavby. V letech 1995 až 2000 byl realizován celoskandinávský program "NORDIC WOOD" s rozpočtem 230 mil. NOK, zaměřený především na možnosti výstavby vícepodlažních budov na bázi dřeva. V rámci tohoto programu bylo postaveno ve čtrnácti lokalitách 600 bytů ve tří až pěti podlažních domech.

Ve Velké Británii činí rozloha lesů 0,04 ha na obyvatele, což je 6,5 krát méně než v ČR. Přesto podíl dřevostaveb na bytové výstavbě je v současnosti vysoký. Ve Skotsku činí podíl dřevostaveb dokonce 45 % (Anglie a Wales 15 %).
Ve Velké Británii roste v současnosti zájem používat dřevo více v bytové výstavbě.

Byl realizován projekt "Dřevostavba 2000". Jednalo se o velmi podrobné testování 5ti patrového bytového domu včetně náročných požárních zkoušek - viz obr. 4. Na obr. 5 je zachycen vnitřek jednoho z bytů tohoto experimentálního domu po jednohodinovém požáru. Při provedených zkouškách požární odolnosti bylo potvrzeno, že nejdůležitější pro zamezení šíření požáru je použití sádrokartonových desek s vysokou požární odolností a zajištění celistvosti všech styků konstrukčních prvků, dveří apod. Důležitým zjištěním též bylo, že významnou roli hraje kvalita provedení domu, především přípojů sádrokartonových desek a dále správné umístění požárních zarážek v dutinách stěn a příček. U testovaného domu nedošlo k rozšíření požáru a ani ke ztrátě únosnosti konstrukce domu.

V rámci tohoto projektu též byly zkoumány otázky zájmu investorů o vícepodlažní budovy v deseti městech Velké Británie.
Výsledky tohoto průzkumu jsou znázorněny v grafech na obr. 6.

Obr. 6 - Potenciální zájem investorů ve Velké Británii o vícepodlažní budovy ze dřeva

Pro širší uplatnění dřevostaveb v bytové a občanské výstavbě v naší republice hovoří především tyto jejich přednosti:

• rychlost a nesezónnost výstavby,
• vysoký stupeň lehké prefabrikace a snížení požadavků na zařízení staveniště,
• vysoká produktivita práce při výrobě a montáži,
• nižší zatížení základů a tím nižší náklady na jejich realizaci,
• dispoziční flexibilita,
• rozměrová přesnost,
• tepelná účinnost,
• nižší cenové náklady na provoz oproti zděným a železobetonovým stavbám,
• dobrý odhad pořizovacích nákladů,
• krátkodobé vázání kapitálu,
• dobré vlastnosti z hlediska životního prostředí (využití obnovitelných zdrojů, snížení odpadů a spotřeby energií).

Dřevostavba je též schopna splnit rostoucí požadavky na tepelně izolační vlastnosti staveb, kde takřka nulové náklady na vytápění nejsou utopií. Je třeba si však uvědomit, že vlastní dřevěná konstrukce tvoří pouze část celkem složitého systému, jehož dalšími částmi jsou kromě kvalitních tepelných izolací také kvalitní okna, včetně střešních, speciální parotěsné a také paropropustné folie, systémy střešních krytin apod.

Za zmínku též stojí, že dřevostavby poskytují obrovské možnosti pro uplatnění celé řady již zmíněných stavebních materiálů, jejichž výrobci již pochopili, jaké možnosti jim rozvoj dřevostaveb a požadavky na jejich kvalitní provedení poskytují.

Průměrná spotřeba dřeva a materiálů na bázi dřeva na realizaci 100 m² užitné bytové plochy v dřevostavbě je cca: 18 m³ řeziva, 200 m² (2,5 - 3 m³) desek na bázi dřeva (překližky, dřevotřísky apod.) a dále pak 300 m² sádrokartonu a 30 m³ tepelných izolací z minerálních vláken. I když v současnosti jsou pořizovací náklady u dřevostaveb přibližně stejné jako u silikátových staveb, mají dřevostavby ve srovnání s nimi při stejné zastavěné ploše o cca 10 % vyšší užitnou plochu a nižší náklady na vytápění. Současná kvalita výroby dřevostaveb u nás je u většiny našich výrobců na vysoké úrovni a dřevostavby často nerozeznáme pohledově od zděných staveb.

Dřevo je též vhodné pro řešení nástaveb na stávající bytové domy vzhledem k tomu, že má malou tíhu a konstrukce nástavby představuje malé přitížení základů. Spotřeba dřeva u nástaveb se pohybuje v rozmezí cca 0,03 až 0,06 m3 na m2 půdorysné plochy nástavby podle typu zvolené konstrukční soustavy. Přitom provedení nástavby např. u jednoho panelového domu o ploše cca 615 m2 trvá přibližně 1 měsíc.

Vícepodlažní budovy

V tab. 1 jsou uvedeny konstrukční systémy vícepodlažních budov, které se v současnosti nejvíce používají.

Tabulka 1 - Konstrukční systémy vícepodlažních budov

V souvislosti s trendy používat dřevo na konstrukce vícepodlažních budov, byl zpracován následující první návrh technických předpisů pro tyto konstrukční systémy v návaznosti na ČSN P ENV 1995-1-1 a ČSN P ENV 1995-1-2:

Mezní stavy únosnosti a použitelnosti

P(1) Pro přenos jak svislého, tak vodorovného zatížení musí být použity stejné stěny z důvodu omezení nadzdvihávání konstrukce na minimum.

P(2) Pro zajištění prostorové tuhosti se musí provést co nejtužší stropní desky, které musí být co nejtužšími spoji připojeny k nosným stěnám.

(3) Stropní desky splňující kritéria článku 5.4.2(3) ČSN P ENV 1995-1-1 lze řešit jako nosník o rozpětí (větší půdorysný rozměr stropní desky) a výšce b (menší půdorysný rozměr stropní desky). Síly na okrajích desky lze určit na principu dvojice sil, působící obdobně jako v horním a dolním páse ohýbaného nosníku.

U předloženého výpočetního modelu se předpokládá, že oplášťování působí jako jediná deska a proto mají být ve stycích jednotlivých desek příčná žebra. Tuhost výztužné desky závisí na orientaci desek vzhledem k podélným nebo příčným žebrům. U podlahy se dosáhne nejlepšího působení vystřídaným uspořádáním desek. Protože se však výztužná deska často používá pro zavětrování ve dvou protilehlých směrech, má se vystřídání styků orientovat na nejnepříznivější směr zatížení.

(4) V případě, že je nutné realizovat velmi tuhou stropní desku, je též možné ji provést jako kompozitní dřevobetonovou stropní konstrukci, která má též velmi dobré akustické a požární vlastnosti.

(5) Návrhovou únosnost stěny podle rovnice 5.4.3a ČSN P ENV 1995-1-1 se doporučuje přenásobit součinitelem (viz obr. 6) v závislosti na způsobu připojení sloupků k prahu stěny.

Obr. 6 - Součinitel K_A

(6) Mezní hodnoty průhybu stropních nosníků se doporučuje omezit na 14 mm.

(7) V rovnicích 4.4.3a a 4.4.3b podle ČSN P ENV 1995-1-1 se doporučuje nahradit směrné hodnoty obecnými hodnotami takto: 1,5 = a, 100 = b. Pro hodnoty a a b se doporučuje používat rozmezí a vzájemnou závislost podle obr. 7.

Poznámka: 1 lepší užitné vlastnosti
2 horší užitné vlastnosti
Obr. 7 - Doporučené rozmezí a závislost mezi a a b

P(8) Za účelem omezení účinků přetvoření (smrštění) nosné konstrukce se musí předejít vzniku soustředěných statických sil v konstrukci od provozního zatížení. Musí se používat vysušené dřevo (nejlépe na vlhkost 12 %) a minimalizovat se musí účinky tlaku kolmo na vlákna dřeva u sloupků a stropnic.

(9) Deformaci konstrukčních prvků výšky h při tlaku kolmo k vláknům dřeva podle článku 5.1.5 ČSN P ENV 1995-1-1 je možné stanovit ze vztahu:

P(10) Při stanovení celkového přetvoření konstrukce se musí vzít v úvahu pružné deformace a dále deformace od sesychání dřeva rovnoběžně a kolmo k vláknům u jednotlivých prvků na celou výšku nosné konstrukce.

P(11) V případě bytového domu o pěti a více podlažích se musí provést posouzení nosné konstrukce na tzv. disproporční kolaps, který může nastat v případě jejího poškození v důsledku požáru, výbuchu, apod. V případě návrhu konstrukce na mimořádné zatížení se doporučuje zabudovat do stropní konstrukce nosníky nad vnějšími stěnami, nebo tyto stěny provést tak, aby byly schopny působit jako nosníky.

(12) Vzhledem k tomu, že v průběhu montáže mohou být stropy krátkodobě zatíženy soustředěným zatížením (např. balíky se sádrokartonovými deskami), doporučuje se vzpěrnou délku sloupků stěn ve směru jejich menší tuhosti zkrátit na polovinu výztužnými prvky.

Požární odolnost

P(1) Konstrukce stěn a příček musí být pokud možno bez dutin. Není-li možné se dutinám vyhnout, musí být stěny a příčky opatřeny požárními zarážkami, aby se zabránilo prudkému šíření požáru po výšce stěn a příček.

P(2) Jako tepelně izolační materiál se musí používat nehořlavé materiály.

(3) Doporučuje se, aby dřevěná konstrukce v interiéru měla ochranné obklady, které brání vzplanutí dřevěných povrchů.

(4) Při navrhování nosné konstrukce se mají používat především celistvé prvky z rostlého, lepeného a vrstveného dřeva bez dutin a spár. Doporučuje se též zaoblit hrany prvků a ohoblovat jejich povrchy.

(5) Na konstrukční prvky se nemá používat dřevo, jehož vlhkost neodpovídá tzv. rovnovážné vlhkosti s ohledem na možnost vzniku výsušných trhlin.

(6) Osové vzdálenosti sloupků stěn a stropnic lehkých skeletů nemají být větší než 625 mm.

(7) Doporučuje se provádět podokenní a nadokenní fasádní parapety, které zabrání šíření požáru okny do vyšších podlaží.

(8) Pozornost je třeba věnovat umístění ventilačních otvorů ve střeše. Tyto by neměly být umístěny nad okny.

(9) U provětrávaných střešních plášťů se doporučuje zabudovat automatické protipožární uzávěry.

(10) Mezibytové stěny se doporučuje (i z akustického hlediska) navrhovat zdvojené, případně s vrstvou nehořlavého materiálu mezi nimi.

Závěr

Závěrem je možno konstatovat, že dřevostavby jsou stavbami trvalými a poskytují plnohodnotné bydlení. U těchto staveb je však velice důležitá přesnost a kvalita jejich provedení.

Důkazem vysoké kvality provedení dřevostaveb, vyráběných v současnosti firmami působícími v ČR, je skutečnost, že se výrazně podílejí na exportu stavebních prací České republiky do zahraničí.

Tento příspěvek vznikl za podpory projektu EU OC E24 "Spolehlivost dřevěných prvků a spojů" a výzkumného záměru ČVUT v Praze JN MSM 210000001 "Funkční způsobilost a optimalizace stavebních konstrukcí".

Literatura
[1] Brandejs, R. - Kuklík, P.: Prostorová tuhost budov na bázi dřeva. Odborný seminář se zahraniční účastí Dřevostavby, Volyně, 2003, s. 24-31;
[2] Kolektiv: Dřevěné obytné domy, Stavební kniha 2002;
[3] Kuklík, P: Navrhování dřevěných konstrukcí, ČKAIT, Praha 1997;
[4] Kuklíková, A. - Studnička, J.: Kompozitní dřevobetonové konstrukce. Odborný seminář se zahraniční účastí Dřevostavby, Volyně, 2003, s. 32-37;
[5] ČSN P ENV 1995-1-1: Navrhování dřevěných konstrukcí. Část 1-1: Obecná pravidla a pravidla pro pozemní stavby, ČSNI, Praha 1996, s.120;
[6] ČSN P ENV 1995-1-2: Navrhování dřevěných konstrukcí, Část 1-2: Obecná pravidla - Navrhování konstrukcí na účinky požáru, ČSNI, Praha 1997, s.52.

Doc. Ing. Petr Kuklík, CSc., Ing. Anna Kuklíková
České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební