Minulosť a súčasnosť drevostavieb

Drevostavba je charakteristická nosnou konštrukciou zhotovenou predovšetkým z dreva a z materiálov na báze dreva. Medzi drevostavby tak možno zaradiť nielen budovy, ale aj halové stavby, lávky, mosty, veže a podobne.

Budovy z dreva a materiálov na báze dreva nachádzajú najväčšie uplatnenie v nízkopodlažnej výstavbe, zvyčajne do štyroch nadzemných podlaží. Konštrukčné systémy možno rozdeliť na zrubové, skeletové a masívne doskové.

Drevené konštrukcie obytných budov sa do prvej polovice 19. storočia realizovali vo dvoch základných variantoch, a to so zrubovými a hrazdenými stenami. Obidva tieto varianty sa vyznačovali náročnými tesárskymi spojmi. Od prvej polovice 19. storočia sa začalo vo väčšej miere používať doskové rezivo a na spájanie prvkov strojovo vyrábané klince. Tieto technológie umožnili, že sa popri zrubových systémoch a ťažkých skeletoch v podobe hrazdených konštrukcií začal využívať ľahký skelet ­realizovaný z dosák a fošní. Tento systém sa z hľadiska technológie realizácie postupne vyvinul do troch foriem – staveniskový, panelový a bunkový.

Bunky, ktoré sú príkladom vysokého stupňa prefabrikácie, však majú obmedzené možnosti použitia a sú vhodné predovšetkým na zhotovenie dočasných stavieb (napríklad zariadenia staveniska a podobne). V súčasnosti sa najviac používajú ťažké a ľahké skeletové systémy v rozličných podobách.

Ťažké skelety
Ťažký skelet je priestorový nosný konštrukčný systém vytvorený zo zvislých a vodorovných nosných prvkov z rezaných hranolov, lepeného lamelového dreva, vrst­veného dreva, Parallamu alebo Intrallamu. Na kompletizáciu sa používa nenosný obvodový plášť a deliace priečky. Pre ťažké drevené skelety sú typické predovšetkým modulové rozmery 3,60 × 3,60 m a 4,80 × 4,80 m.

Novodobé konštrukcie ťažkých drevených skeletov môžu mať niekoľko variantov, ktoré sa líšia zhotovením stykov vodorovných a zvislých prvkov:

• skelet s jednodielnymi prievlakmi a stĺpmi (obr. 1),
• skelet s dvojdielnymi prievlakmi a jednodielnymi stĺpmi (obr. 2),
• skelet s jednodielnymi prievlakmi a dvojdielnymi stĺpmi (obr. 3).

Obr. 1 Styčník skeletu s jednodielnymi prievlakmi a stĺpmi	Obr. 2 Styčník skeletu s dvojdielnými prievlakmi a jednodielnymi stĺpmi

Skeletové konštrukcie, a to ako ťažké, tak aj ľahké, je nutné vystužiť proti vodorovnému zaťaženiu vetrom. Poloha a počet stužujúcich prvkov sú výsledkom prevádzkovo-dispozičných a statických úvah. Budova pôsobí ako priestorový celok, sily prenášané do stužidiel sa rozdeľujú v závislosti od tuhosti stužidiel a stropnej konštrukcie.

V prípade ťažkých skeletov veľmi záleží na zhotovení stropnej konštrukcie z hľadiska jej tuhosti a z toho vyplývajúcej schopnosti prenášať vodorovné účinky do zvislých stužidiel. Tuhosť stropných konštrukcií možno zvýšiť šachovnicovým striedaním uloženia stropníc v poliach medzi prievlakmi. Podlahy sa realizujú z dosák a fošní so šírkou väčšou ako 120 mm, v pásoch so šírkou väčšou ako 1 m, ukladaných do tvaru šachovnice. Stropná konštrukcia sa často zavetruje aj v jej rovine. Pokiaľ sa stropná doska dostatočne vystuží, možno počet stužidiel v stenách zmenšiť.

Stuženie stien možno realizovať pomocou drevených, murovaných alebo betónových výstužných stien alebo pomocou klasického diagonálneho stuženia, podľa počtu podlaží budovy a ukotvenia stĺpov. Výpočet stužidiel sa realizuje v nadväznosti na ich tuhosť a polohu ku geometrickému stredu stužidiel rovnakými postupmi ako pri oceľových skeletoch.

Veľmi dôležitý je spôsob ukotvenia stĺpov ťažkej skeletovej konštrukcie s ohľadom na zemnú vlhkosť – s dostatočnou dilatáciou od základovej konštrukcie.

Pri návrhu stĺpov ťažkej skeletovej konštrukcie sa musí správne určiť vzperná dĺžka stĺpov, a to v závislosti od spôsobu ich kotvenia, stuženia stien a polohy stĺpov v konštrukcii.

Ťažké skeletové konštrukčné systémy sa vyznačujú veľkou pôdorysnou dispozičnou voľnosťou. Ich určitou nevýhodou je to, že sa vo väčšine prípadov zhotovujú z lepených lamelových prvkov a v porovnaní s klasickými tesárskymi konštrukciami sú náročnejšie na vyhotovenie konštrukčných detailov. Príklad skeletovej konštrukcie v čase jej realizácie vidieť na obr. 4.

Ľahké skelety
Ľahký skeletový systém tvoria prevažne fošne a dosky. Stĺpiky tohto systému sa nachádzajú pomerne husto vedľa seba, vo vzájomnej vzdialenosti 400 alebo 600 m, maximálne 625 mm. Stavebná prax pozná tri základné typy ľahkých skeletov:

• Balloon frame (čo najväčší skelet),
• modifikovaný Balloon frame,
• Platform frame (plošinový skelet).

Balloon frame sa vyznačuje prebiehajúcimi stĺpikmi od skeletu až k odkvapu. Poschodový prah tvorí jednoduchý za stĺpikmi priebežný prievlak. Na prievlak sa ukladá stropnica. Vzperná dĺžka stĺpikov sa skracuje stužením.

Modifikovaný Balloon frame tvoria stĺpiky, ktoré sú na poschodovom prahu prerušené. Rohový stĺpik je väčšinou priebežný a tvorí ho hranol alebo je vyskladaný z fošní. Poschodový prah je priebežný a tvorí ho hranol alebo dve fošne uložené na seba. Stropnice sú k poschodovému prahu väčšinou pripojené klincovaním. Konštrukcia je stužená v stenách.

Podlažie Platform frame tvoria diely uložené vzájomne na seba. Tento systém patrí v súčasnosti k najpoužívanejším typom skeletu na výstavbu jednopodlažných alebo viacpodlažných budov. Stĺpiky systému majú rozličné vyhotovenie v závislosti od polohy v konštrukcii (obr. 5).

Priestorovú tuhosť budovy s ľahkým skeletom zabezpečuje stuženie konštrukcie stropu a stien. Stropná konštrukcia sa stuží vzájomným rozopretím stropníc na vzdialenosť asi 2 m. Rozmer stropnice sa volí tak, aby pomer jej výšky k šírke bol z dôvodu stability menší ako 6. Najtuhšiu stropnú dosku možno vytvoriť z preglejok, ktoré sa ukladajú šachovnicovito.

Stuženie stien ľahkého skeletu komplikuje fakt, že stĺpiky stien sú k prahom konštrukcie iba priklincované a samy o sebe nie sú schopné prenášať vodorovné zaťaženie do základových pásov. Preto sa na stuženie ľahkého skeletu používajú výstužné steny. Tie slúžia na stuženie stavby nielen v pozdĺžnom, ale aj v priečnom smere, pretože kostra budovy je veľmi mäkká a pri bočnom pôsobení vetra by vykazovala veľké deformácie.
Výstužnou stenou sa rozumie stenový prvok v konštrukčnom systéme, ktorý odoláva vodorovnému zaťaženiu a prenáša ho do základov. Výstužné steny môžu byť murované, betónové a drevené.

Drevené výstužné steny tvorí rám z dosák alebo fošní a plášť (predovšetkým z preglejky, drevotrieskových alebo OSB dosiek), ktorý môže byť umiestnený z vnútornej alebo vonkajšej strany steny.

Obr. 6, 7 Rodinné domy s ľahkou skeletovou konštrukciou

Ľahké skelety sa v súčasnosti používajú predovšetkým na realizáciu rodinných domov, a to tak jednopodlažných, ako aj viacpodlažných (obr. 6 a 7). Čoraz častejšie sa však začínajú používať aj na výstavbu viacpodlažných bytových domov (obr. 8).

V prípade drevostavieb je nutné zaoberať sa problematikou požiarnej odolnosti. Najväčšia skúška požiarnej odolnosti drevenej konštrukcie viacpodlažnej budovy v Európe sa uskutočnila v rámci projektu Timber Frame 2 000 (TF 2 000) vo Veľkej Británii. Na šesťpodlažnom ľahkom skelete obytnej budovy realizovanej systémom Platform frame (obr. 9) sa okrem požiarnych skúšok urobili aj skúšky celistvosti pri náraze vozidla a pri výbuchu. Na každom poschodí sa nachádzali štyri byty. Každý byt tvorila obývačka, hala a dve spálne, kuchyňa a kúpeľňa s WC. V bytovom dome bola aj výťahová šachta a drevené schodisko.

Vonkajšie nosné steny budovy tvoril plášť z dvoch vrstiev sadrokartónových dosiek s hrúbkou 12,5 mm a z OSB dosiek s hrúbkou 9 mm. Stĺpiky stien s rozmermi 38/89 mm boli vyhotovené z reziva s triedou pevnosti C16. Vzájomná vzdialenosť medzi stĺpikmi bola 600 mm. Priestor medzi stĺpikmi bol vyplnený tepelnou izoláciou. Pred vonkajšími nosnými stenami sa vo vzdialenosti 60 mm nachádzala vymurovaná tehlová stena z lícového muriva. Vnútorné nosné steny mali rovnakú konštrukciu ako vonkajšie steny. Plášť vnútornej nosnej steny tvorila iba jedna vrst­va sadrokartónových dosiek s hrúbkou 12,5 mm. Steny medzi bytmi boli zdvojené a medzera medzi nimi bola vyplnená tepelnou izoláciou. Stropná konštrukcia bola uzavretá podhľadom z dvoch sadrokartónových dosák s hrúbkou 12,5 mm. Stropnice s rozmermi 38/225 mm boli navrhnuté z reziva s triedou pevnosti C 16.

Obr. 9 Pohľad na fasádu budovy po požiarnej skúške	Obr. 10 Interiér budovy po šesťdesiatminútovom požiari

Vzájomná vzdialenosť stropníc bola 600 mm a medzi stropnicami bola uložená tepelná izolácia. Na stropniciach sa nachádzal záklop z OSB dosky s hrúbkou 15 mm, na ktorom bola uložená tepelná izolácia s hrúbkou 25 mm, sadrokartónová doska s hrúbkou 19 mm a drevotriesková doska s hrúbkou 18 mm. Jednotlivé miestnosti boli pre dôveryhodnosť skúšky úplne zariadené.

Hlavným cieľom skúšok na objekte TF 2 000 bolo zistiť správanie viacpodlažnej drevostavby vystavenej veľkému požiarnemu zaťaženiu.

Jednotlivé požiarne úseky sa testovali na požiarnu odolnosť 60 minút. Požiar sa založil v obývacej časti bytu s tým, že k plnému rozvinutiu požiaru došlo asi po 24 minútach. Aby sa vytvorili čo najlepšie podmienky na rozvinutie požiaru, rozbili sa v 21. minúte a 30. sekunde v kuchyni okná. Maximálne teploty v byte dosiahli hodnotu asi 1 000 °C a ostali na tejto úrovni až do ukončenia skúšky, ku ktorému došlo po 64 minútach. Maximálna teplota vo vnútri medzery medzi zdvojenými požiarnymi deliacimi stenami sa pohybovala pod hodnotou 100 °C. Výsledky skúšok konštrukcie budovy v rámci celého požiarneho úseku potvrdili výsledky získané normovými skúškami realizovanými na jednotlivých konštrukčných dielcoch. Aj napriek faktu, že podmienky expozície požiaru boli o 10 % náročnejšie, ako pri 60-minútovej požiarnej skúške konštrukčných dielcov, ukázalo sa, že drevená konštrukcia spĺňa funkčné požiadavky z hľadiska šírenia požiaru vo vnútri budovy a zachovania konštrukčnej celistvosti (obr. 10).

Drevené schodisko budovy TF 2 000 bolo uchytené do sien s drevenou konštrukciou. Na začiatku skúšky sa definovali požiadavky na jeho úžitkové vlastnosti počas požiaru. Schodisko malo ostať funkčné tak, aby umožnilo zásah hasičov a evakuáciu obyvateľov bezprostredne ohrozených požiarom, ako aj následnú evakuáciu ďalších obyvateľov bytov, ktorým sa odporúčalo ostať vo vnútri bytov. Schodisko TF 2 000 bolo navrhnuté so špeciálnou netoxickou povrchovou požiarnou úpravou a zo spodnej strany jednotlivých stupňov sa nachádzala sadrokartónová doska s hrúbkou 12,5 mm. Po založení požiaru došlo k jeho rýchlemu rozšíreniu. Požiar trval približne 31 minút. Následne sa požiarne zaťaženie zmenilo a ostalo len zopár ložísk s horúcim popolom. Po celý čas bolo schodisko pod dozorom hasičov, ktorí ale nezasahovali. Zachovanie funkčnosti schodiska sa overilo následnou skúškou – jeho použitím hasičmi, ktorí v plnej výzbroji vybehli až do najvyššieho podlažia. Skúškou sa potvrdilo splnenie požiadaviek a spoľahlivosti schodiska.

V priebehu skúšok sa overila požiarna odolnosť drevostavby počas 60 minút a získali sa poznatky z oblasti konštrukčnej celistvosti a šírenia požiaru medzi jednotlivými požiarnymi úsekmi. Išlo o reálne požiarne zaťaženie, vďaka čomu sa získali objektívne poznatky o šírení požiaru vo viacpodlažnej budove realizovanej z ľahkého skeletu. Zároveň sa potvrdila aj požiarna odolnosť schodiska. Výsledky skúšok TF 2 000 boli následne premietnuté aj do súvisiacej legislatívy. V súčasnosti možno vo Veľkej Británii používať horľavé materiály v konštrukciách požiarnych deliacich stien a vonkajších stien až do výšky 18 m, namiesto pred tým platných 11 m. V Slovenskej a Českej republike je maximálna prípustná výška od podlahy prvého nadzemného podlažia po podlahu posledného nadzemného podlažia 12 m.

Projektom TF 2 000 sa potvrdilo, že v prípade viacpodlažných drevostavieb treba venovať pozornosť spojom plášťa zo sadrokartónových dosiek, predovšetkým viacvrstvových. Každá vrstva sa musí pripojiť samostatne. Nedodržanie týchto postupov vedie ku zníženiu požiarnej odolnosti konštrukcie. Aby sa zabránilo šíreniu požiaru a narušeniu celistvosti plášťa, musí sa v dutinách vonkajšieho plášťa budovy navrhnúť požiarna zarážka. Zvýšenú pozornosť treba rovnako venovať šíreniu požiaru po fasáde budovy oknami a ďalšími otvormi.

Masívne doskové systémy
V súčasnom období sa do popredia záujmu odbornej verejnosti dostávajú masívne doskové systémy, ktoré sa vyznačujú rozličnými spôsobmi vyhotovenia prvkov stien a stropov:

• ručne zbíjané prvky alebo priemyselne vyrábané lepené prvky,
• prvky s rozličným počtom vrstiev rovnako alebo krížom orientovaných,
• prvky s dutinami alebo bez dutín.

Najdôležitejším rozdielom medzi masívnym doskovým systémom MTC (angl. MTC – Massive Timber Construction) a ľahkým skeletovým systémom LWC (angl. LWC – Light Weight Construction) je skutočnosť, že v prípade MTC systému je nosná a izolačná funkcia jednotlivých vrstiev jasne rozdelená. Na výrobu MTC a LWC systémov sa používa zároveň aj iná skupina materiálov. Zatiaľ čo v prípade LWC systému sa využívajú prútové prvky, v prípade MTC sú to veľkoplošné prvky.

Ďalšou výhodou MTC systémov je skutočnosť, že nie je nutné používať parozábranu a v porovnaní s LWC vykazuje lepšie tepelnotechnické vlastnosti. Obidva systémy sú charakteristické rozličnými spôsobmi zhotovenia fasády. Fasáda MTC systému sa tvorí masívnymi, veľkými nosnými prvkami (napríklad z krížom vrstveného dreva), vďaka čomu možno pri dodržaní pravidiel spájania dosiahnuť vysokú tuhosť konštrukcie. To je dôležité z hľadiska využitia tohto systému na realizáciu budov vystavených veľkému dynamickému zaťaženiu. Rovnako možno použiť aj stĺkané dosky.

Základným materiálom na výrobu krížom vrstveného dreva (CLT) sú neopracované dosky a fošne z okrajových častí kmeňa stromu. Šírka jednotlivých dosiek a fošní sa pohybuje v rozpätí od 80 do 240 mm, hrúbka od 10 do 45 mm (závisí od výrobcu – niekedy až do 100 mm). Krížom vrstvené drevo možno použiť na zhotovenie veľkých vonkajších stien, stropov a striech, ale sú možné aj kombinácie s prútovými prvkami – prievlakmi a stĺpmi.

Steny a otvory (okná a dvere), stropy s otvormi (schodisko, komín) a strechy s otvormi (svetlíky) možno realizovať spravidla bez nutnosti ďalšieho zosilnenia. V prípade balkónov sa doska z CLT vykonzoluje alebo sa z vonkajšej strany obvodovej steny bodovo podoprie.

Hrúbka päťvrstvového stropného prvku vo viacpodlažnom objekte (do troch podlaží) je približne 95 mm. Minimálna hrúbka stenového prvku závisí od dĺžky a typu použitého výrobku. Vo všeobecnosti sa neodporúča hrúbka menšia ako 75 mm.

V závislosti od usporiadania stropov, hmotnosti vrstiev podlahy a úžitkového zaťaženia možno hospodárne realizovať stropy s rozpätím 4,0 až 5,0 m, a to pomocou päťvrstvových prvkov s hrúbkou 125 mm až 160 mm. Na zhotovenie stropov s väčším rozpätím alebo vyšších stenových prvkov možno použiť trámové alebo komôrkové stropné konštrukcie so stenami z nosníkov z lepeného lamelového dreva.

S predpripravenými spojmi možno vyrábať veľmi presné masívne steny, stropy a strešné prvky. Tým možno ušetriť čas a znížiť finančné náklady spojené s korigovaním nepresností výroby na stavbe. Izolácie, obklady a fasádne prvky možno pripojiť veľmi jednoducho a rýchlo.

Zároveň je možná aj kombinácia s inými konštrukčnými systémami (napríklad s murovanými konštrukciami). Krížom lepené drevo sa už použilo na celý rad zaujímavých stavieb. Patrí k nim napríklad deväťpodlažná budova Murray Grove v Londýne (obr. 11).

Záver
Je zaujímavé, že ročná ťažba dreva na jedného obyvateľa v Českej alebo Slovenskej republike je približne rovnaká ako v USA. V USA však drevostavby bytovej výstavbe úplne dominujú. V záujme širšieho využitia dreva v stavebníctve bude v našich podmienkach nutné prekonať skreslené predstavy verejnosti o dreve ako stavebnom materiáli. Vzorom môže byť okrem iného aj Veľká Británia, ktorá aj napriek tomu, že má malé vlastné zdroje dreva, využíva tento materiál v neuveriteľne veľkom rozsahu. V Škótsku tvoria bytové domy na báze dreva 70 % a v Anglicku majú podiel približne 25 % bytovej výstavby.

TEXT: doc. Ing. Petr Kuklík, CSc.
FOTO: archív autora, HAAS Fertigbau

Doc. Ing Petr Kuklík pôsobí na Katedre oceľových a drevených konštrukcií Stavebnej fakulty ČVUT v Prahe.

Tento príspevok bol spracovaný za podpory výskumného centra ČVUT v Prahe 1M6840770001 Centrum integrovaného navrhovania progresívnych stavebných konštrukcií.

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály.