Objavte skrytý potenciál masívnych drevených stropných konštrukcií

V súčasnosti sa kladie dôraz na presadzovanie materiálov a konštrukcií s čo najmenšou uhlíkovou stopou. Ako je známe, za najvhodnejší základný konštrukčný materiál sa považuje drevo.

Tradičné drevené stropné konštrukcie, medzi ktoré patria napríklad trámové stropy, nie sú dostatočne efektívne v porovnaní s masívnymi drevenými konštrukciami. Za omnoho efektívnejšie riešenie možno považovať doskové stropné konštrukcie pozostávajúce z krížom lepeného lamelového dreva (CLT).

Aby však bolo možné maximálne využiť potenciál takýchto druhov konštrukcií, je potrebné vytvoriť hybridnú sústavu v rámci stropnej konštrukcie, a tak maximalizovať potenciál obsiahnutých materiálov. Idea aplikovania krížom lepených lamiel sa začala ako dizertačná práca Gerharda Schickhofera [1].

V súčasnosti už ide o certifikovaný produkt, ktorý dodávajú na trh mnohé spoločnosti, čo implicitne vyústilo aj do procesu jeho implementácie do platných normových predpisov – Eurokódu 5. Základná analógia panelov spočíva v striedaní orientácie jednotlivých vrstiev o 90° vzhľadom na predošlú vrstvu.

Jednotlivé vrstvy sú na kontakte lamiel zlepené pomocou lepidla. Následne sú panely rozdelené na základe hrúbky a počtu vrstiev v rámci panelu. Väčšinou ide o nepárny počet vrstiev (obr. 1), a to 3, 5, 7 až 11 vrstiev v rámci jedného panelu s tým, že prevládajúci počet vrstiev určuje hlavný smer nosnosti [2].

CLT stropné panely možno efektívne používať do rozpätia 7 metrov, pričom existujú realizácie stropov aj s väčším rozpätím.  Už touto zmenou stropného systému možno vytvárať „vzdušnejšie“ priestory, t. j. priestory s väčšími vzdialenosťami podpier. V porovnaní s trámovým systémom (obr. 2 a 3) možno zväčšiť rozpätie až o 3 metre.

Doskový systém okrem toho umožňuje v porovnaní s trámovým systémom vytvoriť vyššiu svetlú výšku, čo zjednodušuje vedenie technológií v podhľade.  Výšku stropnej konštrukcie možno redukovať vytvorením vhodnej sústavy stropnej konštrukcie. Tá väčšinou pozostáva zo stropných trámov a/alebo stropných dosiek a prievlakov, na ktorých je uložená.

Ako najjednoduchší variant sa javí uloženie vrchnej stropnej konštrukcie na drevené trámy, napríklad z konštrukčne nadstavovaného dreva (KVH), alebo lepeného lamelového dreva (LLD), ktoré sú najčastejšou voľbou. Ďalšou možnosťou je použiť oceľový prievlak, najčastejšie s H- alebo I-prierezom (obr. 4) [3].

Práve vytvorenie hybridnej konštrukcie (teda kombinovaním materiálov v rámci nosného systému) prináša výhody, ako sú úspora nákladov, rýchlejšia výstavba a vyššia efektivita systému. Najčastejšie uplatňovaným príkladom je ich aplikácia vo viacpodlažných budovách.

Oceľové prievlaky a stĺpy vytvárajú oceľový rám a drevené panely tvoria stropné a stenové panely. Typická kombinácia prvkov pri stropných konštrukciách je sústava, pri ktorej je oceľový prievlak kombinovaný s drevenou stropnou doskou. Oceľové prievlaky sa používajú predovšetkým pre ich vyššiu únosnosť v porovnaní s drevenými prievlakmi s rovnakou výškou [4].

Už samotným vhodným aplikovaním kombinácie materiálov sa vie dosiahnuť oveľa efektívnejšia konštrukcia, avšak pri stropných konštrukciách zohráva dôležitú úlohu aj ich výška. Z tohto dôvodu sa vytvárajú čo najtenšie konštrukcie, tzv. Slim-Floor (v doslovnom preklade tenký strop) [5].

Tento koncept pozostáva z oceľového I alebo H nosníka, v niektorých prípadoch aj s väčšou, prípadne zosilnenou dolnou pásnicou, s tým rozdielom, že doska je vsunutá medzi hornú a dolnú pásnicu, pričom je uložená na dolnej pásnici (obr. 5) [6].

Stropný systém Slim-Floor má svoje uplatnenie aj pri oceľovo-drevených sústavách [7]. Aj v tomto prípade ide o jednoduché a zároveň efektívne riešenie, ako ušetriť celkovú výšku jednotlivých podlaží. Ako možno pozorovať aj na obr. 5, nevýhodou je nemožnosť aplikovať spojitú stropnú dosku, ktorá je v prípade nosníka umiestneného pod doskou možná.

Ďalšou výhodou takéhoto systému je však vyššia požiarna odolnosť. Oceľový nosník už nie je vystavený požiaru z troch strán, ale len zo spodnej. A práve kvôli zabezpečeniu ešte lepšej ochrany pri požiarnej situácii býva dolná pásnica prekrytá nehorľavým materiálom.

Dolná pásnica však zostáva najkritickejším miestom pri požiarnej situácii. Z tohto dôvodu je vhodné nahradiť kritický oceľový prievlak sofistikovanejším tvarom nosníka, ktorý je schopný odolávať vystaveniu požiaru až do 240 minút bez dodatočných obkladov [8].

Je to vďaka špecifickému tvaru nosníka (DELTABEAM od Peikko), ktorý je v štádiu užívania vyplnený a spriahnutý s betónom za pomoci špeciálneho tvaru výliskov v stenách nosníka. Do nosníka sa umiestňuje výstuž v pozdĺžnom smere a je obzvlášť účinná pri požiari.

Pri kombinácii takýchto nosníkov s CLT stropnými panelmi je možné dosahovať raster 8 × 8 metrov. Dokonca pri vytvorení spriahnutého CLT betónového prierezu je možné dosahovať rozpon do 10 metrov. Vzhľadom na požiadavku čoraz vyššej efektivity jednotlivých systémov je potrebné upraviť a zvoliť čo najefektívnejšie moduly jednotlivých komponentov v rámci systému.

Aplikovaním DELTABEAM-u ako efektívneho zástupcu oceľovej časti systému je možné dosiahnuť racionálnejšiu sústavu (obr. 6). Následne je potrebné konštrukčne vhodne vyriešiť detail prípoja CLT dosky k takémuto prievlaku [9].  Panely sa môžu ukladať na rozšírené dolné pásnice nosníkov.

V takomto prípade ide o prosto uložené dosky, pri ktorých sa nedosahuje efekt spojitého nosníka [9]. V praxi sa takto riešená konfigurácia používa, no aby bolo možné z takejto sústavy využiť čo najviac potenciálu, prebieha na Katedre kovových a drevených konštrukcii SvF STU v Bratislave výskum zameraný na uplatnenie efektu spojitej dosky pri použití DELTABEAM nosníkov v kombinácii s CLT stropnými panelmi (obr. 7 a 8).

Cieľom výskumu sú návrh, vytvorenie a overenie efektu spojitej dosky so zámerom redukcie pootočenia stropných panelov v nadpodperovej oblasti tým, že sa vytvorí vzájomné prepojenie medzi jednotlivými doskami cez nosník. Takouto úpravou sa má docieliť aj vyššia tuhosť v tejto oblasti, čo by následne malo viesť k celkovej redukcii deformácie stropnej dosky.

Okrem iného sa výskum zameriava aj na analýzu vhodného tvaru a vhodných proporcií prípojových detailov. Vytvorilo sa niekoľko vhodných variantov, pri ktorých prebieha experimentálne overovanie. Doposiaľ sa už realizovalo numerické overovanie (obr. 9 a 10), na základe ktorého bolo možné konštatovať, že navrhované a skúmané prípojové detaily majú potenciál a sú schopné zvyšovať rotačnú kapacitu prípoja, čím sa redukuje celková deformácia stropných dosiek.

Takýto potenciál je možné využiť pri vytváraní čo najefektívnejších konštrukcií aj so zreteľom na životné prostredie. Práve používaním čo najväčšieho množstva obnoviteľných materiálov možno značne redukovať uhlíkovú stopu, obzvlášť v porovnaní s konvenčnými konštrukciami z iných materiálov.

Drevo ako také patrí k obnoviteľným surovinám, ba dokonca je ho už možné aj čiastočne recyklovať, a tak zamedziť ďalšiemu plytvaniu surovinami. Zároveň je naozaj šetrnejšie k životnému prostrediu. Značnú úlohu pri redukcii CO2 má aj použitie nosníkov DELTABEAM ako zástupcov oceľových konštrukcií, a to vďaka použitiu jeho 90 % recyklovaného variantu.

Literatúra
1. G. Schickhofer: Starrer und nachgiebiger Verbund bei geschichteten, flächenhaften Holzstrukturen, 2013.
2. StoraEnso, StoraEnso Wood Products – Building Solutions, rethink, 2015.
3. Brandner, R. – Bauer, H. – Schickhofer, G.: Cross Laminated Timber – a competitive wood product for visionary and fire safebuildings: Joint Conference of COST Actions FP1402 and FP1404, rev. Introduction to CLT, Product Properties, Strength Classes, Stockholm, Sweden, 2016.
4. Čajka, R. – K. Burkovic, K.: Coupled Timber – Concrete Ceiling Using Bonded Shear Connectors. Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava Civil Engineering Series, 2013.
5. ArcelorMittal: LongProducts Sections and Merchant Bars, Slim-Floor – An innovative conncept for floors, 2017.
6. Ataei, A. – Chiniforush, A. – Bradford, M. – Valipour, H.: Cyclic behaviour of bolt and screw shear connectors in steel-timber. Journal of Constructional Steel Research, 2019, pp. 328 – 340.
7. Peikko: DELTABEAM Slim Floor Structure – With Timber Construction, 2022.
8. Peikko: Technický manuál – DELTABEAM nosník pre tenké stropy. Bezprievlaková stropná konštrukcia s integrovanou protipožiarnou ochranou, 2021.
9. Peikko: Peikko white paper – DELTABEAM white hybrid timber floors. Load Transfer test, 2022.
10. ReidMiddleton: Timber Construction Using CLT. https://www.reidmiddleton.com/reidourblog/timber-construction-using-clt/. [Cit. 14 9 2023].
11. Štefko. J.: Trámové stropy, ASB, 2022.
12. www.sustainableconstructionservices.com.au, https://www.sustainableconstructionservices.com.au/product/cross-laminated-timber-clt/. [Cit. 11 9 2023].

TEXT: Ing. Klara Freudenberger, prof. Ing. Jaroslav Sandanus, PhD., Katedra drevených a kovových konštrukcií, Stavebná fakulta STU Bratislava
FOTO: archív autorov

Článok bol uverejnený v časopise Stavebné materiály 6/2023