Konstrukce budov na bázi dřeva

Staticko-Staticko-konstrukčnípohled

Dřevěné konstrukce 8

1Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

Konstrukce = útvar, přenášející zatížení

• Zatížení konstrukcí– Přímá (primárně pro vyšetřování statické

bezpečnosti konstrukcí)

– Nepřímá (primárně pro vyšetřování trvanlivosti a životnosti konstrukcí)

• Původ přímých zatížení: vzájemné působení těles (Newtonovská mechanika), zejména– Země vs. stavba

• gravitační působení (tj. veškerá tíha konstrukcí, zařízení, obyvatel…)

• Seismické působení (zemětřesení, silový impuls • Seismické působení (zemětřesení, silový impuls Země, reakce jsou setrvačné síly v budovách)

– Spojitá prostředí vs. stavba (atmosféra, vodoteče)

• Stacionární proudění → tlak, sání, tření, turbulence• Nestacionární proudění → dynamické účinky

– Ostatní tělesa vs. stavba• Impulsy sil (brzdné účinky, nárazy těles, exploze)• Síly odporu (tření)

• Velký možnosti současného výskytu v čase → hledání možných nebezpečných kombinací.

2Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

Primární nosné konstrukce: požadavky

• Hlavní poslání primární nosná konstrukce: přenos účinků přímých zatížení do základové konstrukce → podloží staveb

• Staticko-konstrukční požadavky:– Dostatečná únosnost konstrukce (pevnostní hledisko)– Dostatečná tuhost konstrukce (přetvárné vlastnosti)– Dostatečná stabilita konstrukce (vazba budova-Země)

3Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT

Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

Dřevo a jeho staticko-konstrukční dispozice

Objemové hmotnosti (kg/m3)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

ocel beton zdivo CP dřevo

báze

Modul pružnosti ( MPa)

0

50000

100000

150000

200000

250000

ocel beton zdivo CP dřevo

E minimální

E maximální

Skute čné a charakteristické Konstruktérské handicapy:

4Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

Skute čné a charakteristické pevnosti v tahu (MPa)

0

100

200

300

400

500

600

700

ocel beton zdivo CP dřevo

skutečná pevnost vtahu (min)

skutečná pevnost vtahu (max)

charakteristickápevnost v tahu (min)

charakteristickápevnost v tahu (max)

Konstruktérské handicapy:• Malý E → malá tuhost částí staveb (stropy) i celků (budovy),

vlastní frekvence

• Primárně dostupné pouze jako „tyčovina“ → stabilitníproblémy (vzpěr…..)

• Problém přenosu sil ve spojích (otlačení spojovacích prvků..)

• Respekt k biologickému původu : anizotropie a stavební fyzika → komplexní pohled

Nosníky (dnes už téměř výhradně KVH, DUO/TRIO, BSH)• Materiály: Smrk, vyjímečně dub (přemáhané sloupky, trvale vlhká expozice)• Konstrukční citlivost: vzpěr, otlačení kolmo k vláknům, tah kolmo k vláknům-

osazení nosníků• Hlavní použití:

– Tlačené prvky (zejména svislé stěny, tlak II s vlákny, dřevo „na stojato“, ne srubové stěny)– Ohýbané prvky (zejm. stropní konstrukce a krovy)– Více tažené prvky spíše ne (přenos sil ve styčnících), když tak v příhradových konstrukcích.

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 5

Norma vs. skutečné pevnosti

• Normové hodnoty jsou postavené na filosofii mezních stavů („kvantilová filosofie“): dnes 5 a méně %

Účinek zatížení E, který může být překročeno nejvýše u 5-ti případů ze 100 (E5%) musí být menší, než odolnost konstrukce R, která bude zjištěna alespoň u 95 konstrukcí ze 100 (R95%):E5% < R95%

Charakter pracovního diagramu

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

6

Charakter pracovního diagramu jehličnatého dřeva. Plná čára značí namáhání rovnoběžně s vlákny, čárkovaná kolmo k vláknům. Typické hodnoty modulů pružnosti jsou Erovnoběžně =11-15000 MPa, Ekolmo =400-500 MPa. Pevnosti v prostém tlaku a tahu jsou běžně 70-100 MPa.→ řádově čtyřnásobná rezerva pevností (ne modulů pružnosti) proti normě.

Statické deskové materiály• Typy materiálů: překližka, OSB, sádrovláknité desky,

cementotřískové desky (dříve i dřevotříska, dnes minimálně)

• Koncepčně správné využití– Membránová tuhost v rovině desky - ztužující funkce:

výztužné stěny a tuhé stropní tabule, příp. vyztužení v rovině střechy

– Ohyb kolmo k rovině desky: lokálně, zejména stropní konstrukce, někdy i střešní pláště

– Při vhodném spojení s tlačeným prvkem: stabilizace proti vybočenívybočení

– Při vhodném spojení s rámovou konstrukcí stěny: zvýšená únosnost stěn v tlaku

• Upozornění a rizika: – překližka, dřevotříska, OSB se dodávají jako vodovzdorné –

OK, pozor: desky OSB mohou mít pevnosti závislé na orientaci třísek (orientované OSB desky)

– Sádrovláknité desky: větší vlhkost nevhodné, bobtnání a trvalé deformace (ale využitelnost při formování)

– Cementotřískové desky: vysoká dilatometrie a křehkost při upevňování po okrajích

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

7

Orientovaná OSB deska a její parametry

normálová napětí (tlak , tah, ohyb) a tuhost (modul pružnosti) jsou vždy lepší ve směru třísek (hlavní směr).

Smyk je vždy lepší kolmo k rovině desky než v rovině

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.8

desky než v rovině desky.

Mechanické vlastnosti desek OSB firmy Sterling. Hodnoty v MPa.

Měřené pevnosti OSB

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

9

Rezerva naproti normovým hodnotám ≈4.Moduly pružnosti jsou přibližně odpovídající.

Měřené pevnosti překližek (US)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 10

Orientační výpočtové pevnosti získáme dělením rezervou (≈4).Modul pružnosti je řádově odpovídající.

• TUHOST (DŘEVO)STAVEB

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

11

Tuhost: prutové prvky (stropnice, průvlaky…)• Tuhost = odolnost konstrukce či jejích částí vůči

přetvoření

• Prutový prvek: h/l ≤ 1/5 → platí Beroulli-Navierova hypotéza, má smysl zavést moment setrvačnosti → rozhodující podíl na deformaci prutů má ohyb

• Přetvoření střednice (průhyb) přímého prizmatického prutu → zásadní charakteristika je ohybová tuhost, EI

– Vliv modulu pružnosti E– Vliv výšky průřezu (1/12 bh3)– Vliv výšky průřezu (1/12 bh3)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

12

Vliv modulu pružnosti na velikost přetvoření: je-li E1 : E2 : E3 = 1 : 2 : 5, potom pro průhyby v platí v1 : v2 : v3 = 1 : 1/2 : 1/5

Rozdělení zatížení na identické prvky se stejným přetvořením. Je-li E1 : E2 : E3 = 1 : 2 : 5 potom se zatížení F rozdělí na jednotlivé prvky v poměru 1/8 : 2/8 : 5/8.

Tuhost: stěnové prvky (výztužné stěny, stropní tabule…)

• Stěnový prvek: h/l ≥ 5 → přestává platit Beroulli-Navierova hypotéza → obraz o skutečné tuhosti poskytne řešení stěnové rovnice

• Pro h/l ≈≥ 1 je rozhodující pro přetvoření smyk

• Pro technické výpočty potom vystihuje s postačující přesností přetvoření stěny (průhyb) smyková přetvoření stěny (průhyb) smyková tuhost AG– G smrk (kolmo k vl.) cca 1250 MPa , G

OSB 140-340 MPa (neplatí E(2/(1+μ)) podle pružnosti, anizotropie → významný vliv smyku. Zhruba ≈0,1E.

– Lineární vliv výšky průřezu

• U nízkých výztužných stěn (≈ přízemní a dvoupodlažní objekty) uvažujeme obvykle pouze smykovou tuhost.

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

13

Svazek prutů a funkce ∞ tuhé stropní tabule (TST)• Svislá nosná konstrukce je tvořena

obecně sloupy, stěnami, jádry

• Tyto prvky se o vodorovné zatížení rozdělí pouze za předpokladu tuhé stropní tabule (strop jako „kra“)

– Problém tradičních dřevěných trámových stropů, též rekonstrukce starých domů (bourání příček)

– Stropní tabule musí být tuhá v kterémkoliv směru ve své rovině

• TST v monolitu snadno, pozor však na dřevo (neexistují však na dřevo (neexistují monolitické dřevěné konstrukce)

14Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

Rozdělení vodorovného zatížení na svislé prvky

• TST je nezbytným předpokladem pro rozdělení (redistribuci) vodorovnéhozatížení na jednotlivé svislé prvky v konstrukci (vždy požadujeme).

• Vodorovné zatížení se na svislé prvky rozděluje v poměru jejich tuhostí (obecně)– U výškových objektů mají všechny svislé prvky charakter prutů → rozhoduje deformace

ohybem → tuhost svislých prvků je dána EI (známá poučka, že zatížení se rozděluje v poměruEI: je to pravda jen pro dosti vysoké objekty, tj. mají-li všechny svislé prvky charakter prutů!)

– Při menších výškách objektů, kdy alespoň některé svislé prvky ztrácejí prutový charakter, jepro rozdělovací zákon třeba použít pojem tuhosti v obecném slova smyslu.

– Pro nízkopodlažní objekty (do 2-3 podlaží) lze při stanovení rozdělovacího zákona uplatnit zapřítomnosti stěnových prvků pouze smykovou tuhost AG v technickém slova smyslu(rozhodující význam)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

15

Nedostatečná tuhost objektu při TST

• Nedostatečná tuhost = nadměrné průhyby nebo kroucení objektu → nutnost prostorového ztužení (pomocí ztužidel)

• Zvýšení tuhosti objektu lze dosáhnout– Spřažením existujících svislých prvků

• Rámový účinek• Prutová ztužidla• Membrány

– Vložením samostatných výztužných prvků (jednoduché či větvené stěny, jádra…)(jednoduché či větvené stěny, jádra…)

• U dřevostaveb:– Nízkopodlažní těžké skelety 3-4 podlaží:

prutová ztužidla (vzdušnost konstrukce, volná dispozice)

– Stěnové systémy: do 4 až 5ti podlaží si obvykle poradí samy (RD, nízkopodlažní zástavba)

– Někdy konstrukci „opřeme“ o vnitřní žb. Nebo cihelný blok (schodiště, výtahy, ….)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

16

Rozmísťování ztužidel (resp. stěn) po půdorysu• Ideální stav: výslednice vodorovného zatížení prochází těžištěm tuhosti objektu

• Podmínka stability (hledisko kroucení): alespoň 3 ztužidla, nesmějí se protínat v jednom bodě.

• Těžiště tuhosti vysokého a nízkopodlažního objektu: dva různé body

• U nízkopodlažních objektů (a jen o ty se v tomto kursu zajímáme) stačí dodržet pravidlo těžiště ploch (při nehomogenitě materiálů pak těžiště GA)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 17

R≈1/2 B R≈ 1/6 B

Statika dřevostaveb: primárně tuhost• Návrh na únosnost vesměs nic zajímavého (viz

poznámky dále)

• Malý modul pružnosti dřeva → vesměs rozhodují kritéria mezních přetvoření → tuhosti – Svislé zatížení: stropy (průhyby), triviální problém– Vodorovné zatížení: objekty jako celky, komplikovanější úloha,

spolupráce s architektem

• Specifika u dřevostaveb:– Zcela primárně: tuhost stropních tabulí (tedy včetně konstrukce

stropu nad posledním podlažím, může být tvořeno střechou-viz bungalovy)

– Následně: svislé nosné konstrukce– Následně: svislé nosné konstrukce• Návrh stěn z pohledu zajištění dostatečná tuhosti objektu (půdorysná

délka stěn nebo rozpětí ztužidel)• Návrh rozmístění stěn s ohledem na vyloučení kroucení

– Na závěr: konstrukce střechy, pokud nahrazuje strop nad posledním podlažím.

• Monolitické dřevo neexistuje. Pro docílení potřebných tuhostí (stropních tabulí, stěnových prvků, střešních soustav atd.) u dřevostaveb je zásadní:– Volit vhodné spojovací prostředky– V maximální míře využívat spoje na PD, někdy včetně

prolepování

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 18

Moderní spojovací

prostředky aneb

zapomeňte na tesařské spoje,

kladivo a hřebíky

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

19

Mechanické spojovací prostředky- přehled

• V moderních dřevostavbách podstatné:– Spony (do průměru drátu 2 mm, délky až 180 mm): průmyslová výroba, „šité“ spoje,

automatizace, cena– Dlouhé samozávrtné vruty (na aku) s velkou hlavou a frézkou na zapuštění– Hřebíky: kroužkové, šroubové– Hřebíkové desky pro konstrukce příhradových nosníků (bungalovy)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 20

Tesařské kování = oceloplechové tvarovky

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

21

Kompletizované systémy pro tvorbu skeletových konstrukcí (styčníky, stropní a střešní konstrukce)

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc.

22

Průmyslové technologie upevňováníPneumatické ruční nářadí nebo automaty: sponkování,hřebíkování

Kadence sponkování:Ručně cca 150-200 spon/minAutomat až 800 spon/min

Kadence hřebíkování:Cca do 100 hř./min

Dřevěné konstrukce, syllaby přednášek FSv ČVUT Praha 2010 Prof. Ing. J. Krňanský, CSc. 23