Krížom lepené drevo – riešenie aj pre viacpodlažné stavby (1. časť)

Krížom lepené drevo (čes. křížem lepené dřevo, nem. BSP – Brettsperrholz, angl. CLT – Cross Laminated Timber, obchodný názov v niektorých krajinách X-LAM) je materiál, ktorý sa pravdepodobne v blízkej budúcnosti stane najvýznamnejším výrobkom používaným v masívnych drevených konštrukciách, v bytovej výstavbe a viacpodlažnej výstavbe.

Pri výrobe takzvaných technických výrobkov sa surovina – drevo – najskôr rozličnými spôsobmi rozdelí na menšie kúsky určitých rozmerov a opätovne spojí pomocou lepidiel alebo, v špeciálnych prípadoch, mechanickými spojovacími prostriedkami.

Touto procedúrou možno odstrániť alebo prinajmenšom redukovať anizotropný efekt dreva (fyzikálne vlastnosti sa menia podľa smeru, v ktorom sa merajú). Okrem prútových prvkov (laty, dosky) sa vyrábajú aj dvojrozmerné elementy s pomerne veľkými a premenlivými rozmermi vo forme dosiek (zaťažované kolmo na rovinu elementu) a stien (zaťažované v rovine elementu). Výhodou je, že na ich výrobu možno použiť drevo horšej kvality alebo tiež recyklované drevo. Zmenšený vplyv jednotlivých porúch materiálu, akými sú hrče, šikmý priebeh vlákien, zmeny hustoty a podobne, na fyzikálne vlastnosti umožňuje vyrobiť produkt s homogénnymi vlastnosťami.

Označenie výrobkov pojmom technické súvisí so skutočnosťou, že uvedeným spôsobom sa vyrábajú produkty s takzvanými technickými a vytvorenými vlastnosťami, ktoré sa od prirodzených vlastností guľatiny alebo reziva líšia.

V závislosti od veľkosti použitých prvkov a ich vzájomnej orientácie (smer vlákien použitých prvkov je paralelný alebo kolmý na hlavný smer elementu) možno vyrobiť širokú škálu výrobkov s určitými rozmermi (tab.).

Výrobky zložené z dosiek
Základnými komponentmi týchto výrobkov sú dosky s hrúbkou 6 až 40 mm, so šírkou viac ako 60 mm a s dĺžkou spravidla od 1,5 do 5,0 m (dĺžka 4,0 m sa považuje za štandardnú). Dosky treba triediť podľa príslušných predpisov a noriem. Za normálnych okolností sa dosky vysušia na vlhkosť 12 až 18 % a pred ďalším použitím sa ohobľujú. Podľa spôsobu použitia sa môžu dosky spájať zubovitými spojmi. V takomto prípade ide o takzvanú lamelu.

Výrobky s výrazným dĺžkovým rozmerom (nosníky)
Zlepením viac ako štyroch vrstiev rovnobežne s pozdĺžnou osou vzniká pravdepodobne najdôležitejší technický výrobok z dreva – lepené lamelové drevo (obr. 1 až 3).

Obr. 2, 3 Nosná strešná konštrukcia bazénu, Aquapark Podhájska 2010, foto: František Lužica, Tectum Novum

Tab. Prehľad technických výrobkov s výraznými rozmermi vo dvoch smeroch

Výrobky s dvoma hlavnými rozmermi
Medzi výrobky sa dvoma hlavnými rozmermi patria:

• dosky s jednou rovinou;
• dosky osadené nastojato, mechanicky spájané (Bresta) a priečne predpäté drevené prvky;
• krížom lepené drevo (CLT).

Doska s jednou rovinou vzniká vzájomným lepením jednotlivých dosiek na úzkych stranách. Na nosné stavebné účely sa používa veľmi zriedkavo. Uplatnenie nachádzajú skôr v nábytkárskom priemysle. Na ich výrobu sa využívajú rôzne dreviny.

Nastojato uložené dosky sa vzájomne spájajú klincami alebo skrutkami. Používajú sa väčšinou na zhotovenie stropných (obr. 4), ale aj stenových a strešných konštrukcií. Do tejto skupiny patria zároveň aj lepené lamelové prvky, zaťažené priečne. Elementy, ktoré vzniknú priečnym predpätím nastojato uložených dosák, sa využívajú ako mostovky drevených mostov (obr. 5).

Obr. 4 Nastojato uložené dosky spojené mechanickými spojovacími prostriedkami (Bresta) ako stropná doska	Obr. 5 Priečne predpätá drevená mostovka

Krížom lepené drevo sa skladá z nepárneho počtu rovín tvorených doskami. Ich ortogonálne usporiadanie umožňuje výrobu elementov s veľkými rozmermi. Tento produkt zohráva dôležitú úlohu z hľadiska použitia dreva pre viacpodlažné budovy.

Výroba krížom lepeného dreva (výroba CLT-elementov)
Základným materiálom na výrobu krížom lepeného dreva sú dosky z okrajových častí kmeňa (obr. 6). Tento materiál má dobré mechanické vlastnosti z hľadiska pevnosti a tuhosti (obr. 7) a zároveň za normálnych okolností nízku cenu.

Obr. 6 Dosky z okrajových častí kmeňa	Obr. 7 Rozdelenie mechanických vlastností v priereze kmeňa

Šírka jednotlivých dosiek v CLT sa pohybuje v rozpätí od 80 do 240 mm, hrúbka bežne od 10 do 45 mm (závisí od výrobcov – niekedy až do 100 mm). Pomer šírky a hrúbky by mal byť b : d = 4 : 1. V súčasnosti sa používa drevo z ihličnatých stromov (smrek, borovica, jedľa), v budúcnosti sa uvažuje  používať aj listnaté dreviny (agát, buk).

Charakteristickými vlastnosťami jednotlivých dosiek je pevnosť v ťahu, modul pružnosti a hustota. Na vonkajšie vrstvy sa používajú dosky s predpísanou triedou pevnosti. Dosky sa najskôr strojovo triedia. Nasleduje vyznačenie a vyrezanie nehomogénnych úsekov v doske. Potom sa dosky spájajú zubovitými spojmi a lepia. Na lepenie sa používajú polyuretánové, fenolické a melamínové lepidlá. Podľa triedy použitia vyrábaného prvku sa určuje potrebná vlhkosť dosiek.

V ďalšom kroku sa lamely hobľujú zo všetkých štyroch strán. Bočné strany sú paralelné alebo tvarované kónicky, alebo sa frézujú na pero a drážku (obr. 8).

Obr. 8 Lamely s paralelnými, profilovanými alebo kónickými bočnými stranami

Zubovité spoje sa musia zhotovovať v súlade s STN EN 385: 2003 (Drevené konštrukcie nastavované klinovým spojom. Požiadavky na technické vlastnosti a minimálne výrobné požiadavky). V spoji sa musí dosiahnuť tá istá kvalita, akú má spájaný materiál. V súlade s STN EN 1194: 2001 (Drevené konštrukcie. Lepené lamelové drevo. Triedy pevnosti a stanovenie charakteristických hodnôt) je nutné, aby charakteristická pevnosť spoja v ťahu ft,0,l,k bola vyššia o 5 N/mm², ako je pevnosť príslušnej dosky.

Obr. 9 Jednovrstvová doska – lamely sa na bočných stranách lepia iba zriedkavo

Bočné spájanie jednotlivých lamiel sa v súčasnosti používa skôr výnimočne (obr. 9). Zubovité spoje v jednotlivých lamelách by mali byť v rámci susedných lamiel odsadené v súlade s STN EN 386: 2003 (Lepené lamelové drevo. Požiadavky na technické vlastnosti a minimálne výrobné požiadavky).
Typická stavba jednotlivých vrstiev v krížom lepenom dreve je ortogonálna. Vrstvy sa však môžu ukladať aj pod iným uhlom (napríklad 45°). Kvázi tuhé spojenie jednotlivých vrstiev sa dosiahne celoplošným zlepením vrstiev. Je dôležité, aby sa lepidlo nanieslo na celú plochu rovnomerne.

Veľkosť a tvar CLT-elementov sú dané obmedzením výroby, prepravy a montážnych možností. V súčasnosti sa ako štandardné označujú nasledovné rozmery pre rovinné a mierne zakrivené elementy: dĺžka 16,5 m, šírka 3,0 m a hrúbka do 0,5 m. Väčšie dĺžky (do 30 m) možno dosiahnuť spájaním zubovitými spojmi už hotových elementov. V prípade zakrivených prvkov sa musia dodržať zásady hrúbky vrstiev a polomeru zakrivenia (pozri napríklad STN EN 386).

Na dosiahnutie požadovaných pevnostných a požiarnych vlastností CLT-elementov sa používajú rôzne konfigurácie pozdĺžnych a priečnych vrstiev. Troj- alebo päťvrstvové elementy (obr. 10) majú hrúbku približne 100 mm (170 mm). Na stavbu mostov sa používajú hrubšie elementy.

Obr. 10 Päťvrstvový CLT-element

CLT-elementy sa predávajú s neopracovaným povrchom vonkajších vrstiev, v tak­zvanej priemyselnej kvalite. Opracovaný povrch, takzvaná pohľadová kvalita, sa vyhotovuje na objednávku.

Niektoré používané typy vonkajších vrstiev sú nenosné (napríklad drevené obkladové profily, OSB dosky, sadrovláknité dosky). Používajú sa predovšetkým z estetického hľadiska, na splnenie stavebnofyzikálnych požiadaviek (zvuková nepriezvučnosť) alebo na zlepšenie požiarnej odolnosti. Tieto vrstvy sa k CLT-elementu skrutkujú, klincujú alebo lepia.

Navrhovanie CLT-elementov
Pri navrhovaní konštrukcie sa musia splniť všetky požiadavky jednak pre konštrukciu, jednak pre celok a jednak pre jednotlivé časti konštrukcie (napríklad CLT-elementy). Únosnosť a použitie CLT-elementov ovplyvňuje veľkosť elementu, otvory v elemente (dvere, okná, komíny, schodiská, svetlíky), skladba priečneho rezu (počet a hrúbka vrstiev, pevnostná trieda vrstiev, typ dreviny, usporiadanie vrstiev).

V súčasnosti nie sú (okrem DIN 1052: 2004) v európskych normách uvedené postupy navrhovania CLT-elementov. Jednotliví výrobcovia používajú na navrhovanie, výrobu a použitie CLT-elementov národné technické predpisy.

Mechanické parametre CLT-elementov možno stanoviť na základe vlastností jednotlivých vrstiev a jednotlivých dosiek vo vrstve.

Modelovanie a navrhovanie CLT-elementu ako dosky
V závislosti od rozmerov elementu (od pomeru dĺžky a šírky l : b) a od spôsobu uloženia sa berie do úvahy pôsobenie zaťaženia v jednom alebo vo dvoch smeroch. CLT dosky sa považujú za prostý nosník alebo viacpoľový nosník. Ak sa predpokladá ohyb vo dvoch smeroch, musí sa rátať s jednoduchým spojením jednotlivých dosák vo vrstve.

Masívne CLT stropy sa posudzujú ako tuhé dosky (ak zaťaženia pôsobia plošne), ktoré môžu prenášať zároveň horizontálne zaťaženia (od vetra, seizmicity a podobne).

Pomôcku pre projektantov ponúka rakúska spoločnosť Holzbau Forschungs GmbH Graz pod vedením prof. Gerharda Schickhofera z Technickej univerzity v Grazi. Softvér „CLT designer“ je bezplatný, je spracovaný v nemčine, angličtine, taliančine a francúzštine. S jeho pomocou možno navrhovať dosky a steny a tiež navrhovať CLT-elementy na požiarne zaťaženie.

Modelovanie a navrhovanie CLT-elementu ako steny
Na modelovanie CLT-elementov ako stien sa môže použiť model priehradovej konštrukcie alebo rámový model. Na presnejší výpočet možno použiť metódu konečných prvkov. Na zohľadnenie dverných a okenných otvorov sa musia vytvoriť príslušné modely.

Použitie CLT-elementov v jedno- a viacpodlažnom objekte
Vzhľadom na rozmery prvkov a pomer výšky, respektíve dĺžky elementov k ich hrúbke možno elementy klasifikovať ako plošné prvky (steny, dosky). Sú vhodné na zhotovenie vonkajších a vnútorných stien, stropov a striech. Zároveň ich možno kombinovať s prútovými prvkami (prievlaky a stĺpy). Ide o systém masívnej výstavby z dreva (obr. 11).

Obr. 11 Priečny rez steny rámovej konštrukcie (vľavo) a masívnej konštrukcie (vpravo)

Rakúska spoločnosť proHolz na stránke www.dataholz.com ponúka architektom, projektantom a ďalším záujemcom o použitie dreva v stavebníctve katalóg skladieb stien, stropov a striech s vypočítanými stavebnofyzikálnymi vlastnosťami a hmotnosťou jednotlivých vrstiev. Využívanie katalógu je bezplatné, stránka je v nemčine, angličtine, taliančine a španielčine. V katalógu je spracovaných niekoľko stoviek rôznych skladieb s drevom ako nosnou a tiež nenosnou konštrukciou.

Steny s otvormi (okná a dvere), stropy s otvormi (schodiská, komíny) a strešné elementy s otvormi (svetlíky) možno realizovať spravidla bez ďalšej dodatočnej práce a dodatočných zosilnení (obr. 12 a 13).

Obr. 12 Montáž stien, foto: proHolz	Obr. 13 Montáž stropov, foto: proHolz

Zo skúseností je známe, že hrúbka päťvrstvového stropného elementu vo viacpodlažnom objekte (do troch podlaží) je približne 95 mm. Minimálna hrúbka stenového prvku závisí od rozpätia a typu použitého výrobku. Vo všeobecnosti sa neodporúča menšia hrúbka ako 75 mm.

V závislosti od usporiadania stropu, tiaže podlahových vrstiev a úžitkového zaťaženia možno hospodárne realizovať stropy s rozpätím 4,0 až 5,0 m pomocou päťvrst­vových elementov s hrúbkou 125 mm až 160 mm. V prípade väčšieho rozpätia stropu a vyšších stenových prvkov možno po­užiť trámové alebo komôrkové stropné konštrukcie so stenami z nosníkov z lepeného lamelového dreva.

Masívne steny, stropy a strešné elementy možno vyrábať spolu s predpripravenými prípojmi veľmi presne. Možno tak usporiť čas a náklady spojené s korigovaním nepresností výroby na stavbe. Izolácie, debnenia, obklady a fasádne elementy možno pripojiť jednoducho a rýchlo.

Požiarna odolnosť
CLT-elementy sa skladajú z dreva a prípadne z materiálov na báze dreva, ktoré sú horľavé. Napriek tejto skutočnosti sa správanie dreva v prípade požiaru považuje za vhodné.  Ak príde k požiaru, vytvoria vonkajšie zhorené vrstvy ochrannú izolačnú vrstvu (rovina pyrolýzy), čím sú ďalšie vrstvy proti požiaru chránené. Teplo sa rozširuje pomalšie a horenie sa spomalí. Zmenšenie odolnosti prvku je spôsobené zmenšením prierezu.
V rámci požiarnych skúšok sa musí zohľadniť strata vonkajšej vrstvy. To znamená, že v päťvrstvovom elemente v prípade tridsaťminútového požiaru zhorí najmenej jedna vrstva. Z pôvodného elementu s tromi pozdĺžnymi a dvomi priečnymi vrstvami  po 20 minútach pôsobenia požiaru vznikne element s tromi vrstvami. Tento však pôsobí ďalších tridsať minút ako element s tromi vrstvami (horí vlastne druhá, nenosná – priečna – vrstva).

Päťvrstvový CLT-element s hrúbkou 120 mm má požiarnu odolnosť 60 minút. Pri určitej skladbe vonkajšej roviny a/alebo opláštení elementu dodatočnou vrstvou (napríklad sadrokartónom) možno požiarnu odolnosť zvýšiť.

TEXT: Dipl.-Ing. Dr. techn. Manfred Augustin
doc. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD.
FOTO: autori, František Lužica, Tectum Novum, ­proHolz, Brandner

Dipl.-Ing. Dr. techn. Manfred Augustin pracuje v Inštitúte pre drevostavby a technológiu dreva Technickej univerzity Graz v Rakúsku (Institut für Holzbau und Holztechnologie, Technische Universität Graz).

Doc. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD., pracuje na Katedre kovových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty STU v Bratislave a je autorizovaným inžinierom SKSI pre statiku stavieb.

Literatúra
1. Brandner, R: Brettsperrholz – Technologie und Anwendung. Volyně: Seminár Dřevostavby 2011, ČR

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.