MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Lesnická a dřevařská fakulta Ústav základního zpracování dřeva
Konstrukční a ekonomická analýza střešních dřevěných vazníků Bakalářská práce
2013
Vladimír Honzík
Čestné prohlášení Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma: Konstrukční a ekonomická analýza střešních dřevěných vazníků zpracoval sám a uvedl jsem všechny pouţité prameny. Souhlasím, aby moje bakalářská práce byla zveřejněna v souladu s § 47b Zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách a uloţena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně, zpřístupněna ke studijním účelům ve shodě s Vyhláškou rektora MZLU o archivaci elektronické podoby závěrečných prací. Autor kvalifikační práce se dále zavazuje, ţe před sepsáním licenční smlouvy o vyuţití autorských práv díla s jinou osobou (subjektem) si vyţádá písemné stanovisko univerzity o tom, ţe předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity a zavazuje se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla dle řádné kalkulace.
V Brně, dne:........................................ podpis studenta
Poděkování: Tímto způsobem bych rád poděkoval svému vedoucímu Ing. Miloši Lavickému, Ph.D. za cenné odborné rady a především za jeho vynikající přístup při konzultacích týkajících se této práce. Dále pak své rodině a přítelkyni za duševní oporu.
Jméno / Name Vladimír Honzík Název práce Konstrukční a ekonomická analýza střešních dřevěných vazníků The title of work Structural and Economical Analysis of Roof Wooden Trusses
Abstrakt Bakalářská práce s názvem Konstrukční a ekonomická analýza střešních dřevěných vazníků se zabývá popisem a návrhy střešních vazníků pouţívaných výhradně u malých a středních staveb. Práce je zaměřena především na technické a návrhové řešení příhradových konstrukcí. Nejpodstatnější částí práce je zpracování základních typů vazníků, které jsou variovány především ve svých vnitřních výpletech. Vyhotoveny jsou výkresy konstrukčního řešení a jejich statické návrhy. Nedílnou součástí práce je popis výpočetního softwaru a osvojení si jeho funkcí. Na statické výpočty příhradovin byl pouţit program Dlubal RSTAB 7 společnosti Ing. Software Dlubal. Klíčová slova: vazník, dřevo, podpora, zatíţení, nosník
Abstract A bachelor thesis titled Structural and economical analysis of roof wooden trusses is dealing with description and design of roof wooden trusses, which are specially used on small and medium buildings. The thesis focuses on technical and design solution of truss construction. The crucial part of the work is designing basic types of trusses varied in their inner construction. There are construction solution drawings and their static designs included. Another part of the work is dealing with description of computational software and understanding its functions. The program Dlubal RSTAB 7 made by Ing. Software Dlubal company was used for static calculation.
Keywords: trusse, wood, support, load, beam
Obsah 1
Úvod ...................................................................................................................... 1
2
Cíl práce ................................................................................................................. 2
3
Popis vazníku ......................................................................................................... 3
4
5
6
7
8
3.1
Typologie vazníkových konstrukcí .................................................................. 3
3.2
Podrobný popis konstrukčních částí vazníku ................................................... 4
3.2.1
Styčníkové desky (Gang-nail) .................................................................. 4
3.2.2
Horní a dolní pás ...................................................................................... 5
3.2.3
Diagonály a svislice ................................................................................. 5
Srovnání klasické krovové a vazníkové konstrukce ................................................ 6 4.1
Rozdíly mezi klasickými krovy a vazníkovým zastřešením.............................. 6
4.2
Výhody a nevýhody klasických krovových konstrukcí .................................... 7
4.3
Výhody a nevýhody vazníkových konstrukcí................................................... 7
4.4
Historie výroby vazníků .................................................................................. 8
4.5
Tuzemští výrobci ............................................................................................. 8
Vazníky na staveništi.............................................................................................. 9 5.1
Větrání střechy a kondenzace par .................................................................... 9
5.2
Skladování a manipulace s vazníky ................................................................. 9
5.3
Postup montáţe střechy s příhradovými vazníky ............................................ 11
5.4
Zavětrování ................................................................................................... 13
Dřevo jako materiál .............................................................................................. 15 6.1
Obecné vlastnosti dřeva ................................................................................. 15
6.2
Výhody a nevýhody dřeva ............................................................................. 17
Trvanlivost dřeva ................................................................................................. 18 7.1
Základní principy ochrany ............................................................................. 18
7.2
Pouţívané chemické prostředky .................................................................... 19
Poţární odolnost ................................................................................................... 20 8.1
9
Poţární odolnost vazníkových konstrukcí ...................................................... 21
Analýza dle modelu výpočtu ................................................................................ 21 9.1
Cíl analýzy .................................................................................................... 21
9.2
Základní výpočetní modely ........................................................................... 21
9.2.1
Výpočetní model „kloubově připojené pruty“ ......................................... 22
9.2.2
Výpočet zohledňující výpočet tuhosti spoje (MiTek software) ................ 22
9.3
Vyhodnocení výsledků .................................................................................. 23
10 Metoda konečných prvků ..................................................................................... 24
10.1 Úvod ............................................................................................................. 24 10.2 Vývoj MKP ................................................................................................... 24 11 Výpočet zatěţovacích stavů pro analýzu dle Eurokódu ......................................... 25 11.1 Systém evropských norem – Eurokódy .......................................................... 25 11.2 Obsah národních příloh (NP) ......................................................................... 26 11.3 Cíle a účely Eurokódů ................................................................................... 26 11.4 Zatíţení stavebních konstrukcí ...................................................................... 26 11.4.1
Dělení dle proměnlivosti v čase .............................................................. 26
11.4.2
Dělení dle rychlosti změny ..................................................................... 27
11.4.3
Dělení dle proměnlivosti v prostoru........................................................ 27
11.4.4
Charakteristiky zatíţení .......................................................................... 28
11.5 Mezní stavy ................................................................................................... 28 11.6 Úvod do výpočtu ........................................................................................... 28 11.6.1
Teoretické umístění objektu a jeho vliv na výpočet ................................ 29
11.6.2
Charakter budovy ................................................................................... 29
11.6.3
Obsah ČSN EN 1991 Eurokód 1 ............................................................ 25
11.6.4
Zatíţení izolovaným podhledem ............................................................. 30
12 Dlubal RSTAB 7 .................................................................................................. 31 12.1 Ing. Software Dlubal ..................................................................................... 31 12.2 Charakteristika programu .............................................................................. 31 12.3 Hodnocení ovladatelnosti a funkčnosti softwaru ............................................ 31 13 Analýza základních typů vybraných vazníků ........................................................ 32 13.1 Metodika ....................................................................................................... 32 13.2 Cíl analýzy .................................................................................................... 32 13.3 Data analýzy ................................................................................................. 33 13.4 Diskuze ......................................................................................................... 34 14 Závěr .................................................................................................................... 36 15 Summary.............................................................................................................. 37 16 Seznam pouţitých zdrojů...................................................................................... 38 16.1 Literární zdroje .............................................................................................. 38 16.2 Normy ........................................................................................................... 38 16.3 Internetové zdroje.......................................................................................... 39 17 Přílohy ................................................................................................................. 40 17.1 Seznam obrázků ............................................................................................ 40 17.2 Přílohy pro analýzu ....................................................................................... 41
17.3 Vstupní data pro analýzu výpletů................................................................... 41 17.3.1
Pouţitá kombinace zatíţení (podhled, krytina, vítr a sníh): ..................... 41
17.3.2
Výpočty jednotlivých zatíţení (v Excel 2007) ........................................ 42
17.3.3
Dělení střešních rovin sedlové střechy na zóny dle působení tlaku .......... 43
17.3.4
Mapa České Republiky – sněhové oblasti (ČSN EN 1991-1-3)............... 44
17.3.5
Mapa České Republiky – Větrné oblasti (ČSN EN 1991-1-4) ................. 44
17.3.6
Materiálové charakteristiky pouţitého řeziva – C24 ............................... 45
17.4 Vazník číslo 1 – Základní výstup z RSTAB a TIMBER Pro .......................... 46 17.5 Zjednodušený popis vazníků č.2 – č.9 (RSTAB 7) ......................................... 53 17.6 Vstupní data pro posouzení výpočetního modelu ........................................... 57 17.6.1
MiTek 20/20 .......................................................................................... 57
17.6.2
Dlubal RSTAB, TIMBER Pro ................................................................ 59
17.7 Prováděcí výkresová dokumentace (MiTek 20/20) ........................................ 60
1 Úvod V dnešní době představují dřevěné vazníkové konstrukce jednu z nejmodernějších technologií určenou pro zastřešování staveb. Vazníky začaly ihned po svém zavedení postupně vytlačovat klasické krovové konstrukce. Mezi nejrozšířenější technologie dnešní výroby těchto konstrukcí patří spojování pomocí styčníkových plechů s prolisovanými trny. Proto se tato práce zabývá pouze touto výrobní technologií. Navrhování usnadňují především moderní výpočetní softwary. Vazníkovými konstrukcemi se jiţ v České republice zabývá značné mnoţství podniků. Jejich hlavní výhodou je to, ţe vychází z kvalitního návrhu, který můţe zajistit značné finanční zvýhodnění oproti klasickým krovům. Výpočetní technologie pro vazníky jsou neustále rozvíjeny a zdokonalovány. Lze předpokládat, ţe pouţívání těchto moderních konstrukcí bude i v budoucnu velmi rozšířené.
1
2 Cíl práce Zpracování vybraných druhů vazníkových výpletů ve statickém výpočetním programu. Uvaţovány budou vazníky střední velikosti pouţívané především u rodinných domů nebo jiných středně velkých staveb. Příhrady budou variovány pouze ve svých vnitřních výpletech a to různým uspořádáním diagonál, svislic a velikostí jejich průřezů. Analýza se bude orientovat na statickou účinnost jednotlivých variací vazníků a na jejich ekonomičnost. Druhotným cílem bude celkové seznámení s moderními vazníky vyráběnými pomocí styčníkových plechů s prolisovanými trny. V práci se zaměřím na vlastnosti dřeva, které mají největší vliv na pevnost tohoto materiálu, dále na společnosti zabývajícími se vazníky, normové poţadavky a názvosloví týkající se této problematiky. Nejobsáhleji bude práce zpracovávat statické navrhování vazníkových konstrukcí pomocí softwaru RSTAB 7 společnosti Ing. Software Dlubal.
2
3 Popis vazníku Vazníky jsou horizontálními konstrukčními prvky, které nejčastěji tvoří nosnou střešní konstrukci. Jedná se o příhradové konstrukce sloţené z relativně štíhlých prvků. Dřevěné dílce jsou dnes nejčastěji spojovány pomocí plechů s prolisovanými trny. Štíhlost celé konstrukce je umoţněna rozsáhlým rozvojem výpočetních technologií. Moderní software dokáţe dimenzovat vazníky velmi úsporně, především sníţením spotřeby dřevní suroviny. Obvykle není přenášeno pouze zatíţení vyvolané střešní konstrukcí (střešní krytina, sněhová pokrývka a působení větru), ale i to, které vzniká vlivem vnitřního izolovaného podhledu. Příhradové konstrukce a plnostěnné nosníky jsou v dnešní době jedněmi z nejpouţívanějších typů rovinných konstrukcí ze dřeva. V posledních desetiletích stále ve větší míře nahrazují klasické krovy. Části konstrukce mají své specifické názvosloví. Hlavními částmi jsou horní pásnice, dolní pásnice, svislice, diagonály a spojovací plechy viz obr. 1.
Obr. 1 Popis hlavních částí vazníku.
3.1 Typologie vazníkových konstrukcí Rozdělení dle tvaru:
Sedlový vazník
Pultový
Mansardový
Přímopasý
Lichoběţníkový
Obloukový-segmentový
Studiový-podkrovní
3
3.2 Podrobný popis konstrukčních částí vazníku 3.2.1 Styčníkové desky (Gang-nail) V dnešní době jsou nejrozšířenějšími spojovacími prostředky styčníkové desky s prolisovanými trny. Styčník je definován jako místo na vazníku, kde dochází ke spojování jednotlivých prutů. Spojované prvky sbíhající se do společného styčníku musí mít vţdy stejné šířky. Jednou styčníkovou deskou lze napojovat aţ osm prvků, běţně však maximálně pět. Spojovací prvky jsou nejčastěji vyráběny z konstrukční měkké oceli pokovené zinkem. Při zvýšeném riziku koroze vlivem agresivního prostředí (zemědělské a průmyslové budovy) je pouţívána nerezová ocel. Pouţití nerezové oceli nezanedbatelně navyšuje konečnou cenu konstrukce. Pouţívány jsou plechy v tloušťkách 1,0mm, 1,5mm a 2,0mm.Šířka a výška desek je volena podle výšek spojovaných prvků a jejich počtu ve styčníku. Délka trnů je volena s ohledem na šířky spojovaných prvků. Plechové desky jsou vyráběny průmyslově v předem daných rozměrech. Výrobci zajišťují dostatečně velkou variabilitu rozměrů desek. Kvalita, dostupnost a v neposlední řadě i příznivá cena spojovacího materiálu je zajištěna domácí výrobou. Tuzemští výrobci zajišťují nejen plné nasycení domácího trhu, ale i export do okolních států.
Obr. 2 Styčníková deska s prolisovanými trny společnosti MiTek.
Obr. 3 Ukázka použití styčníkových desek v různých částech vazníku.
4
3.2.2 Horní a dolní pás Horní a dolní pás jsou základními prvky vazníku a tvoří jeho obrys. Délkové rozměry těchto základních prvků udávají značnou část vlastností konstrukce. Mezi nejpodstatnější patří světlá šířka, kterou bude moţné vazníkem překlenout a jeho výška, která nezanedbatelně ovlivní vzhled celé střešní konstrukce. Rozpon vazníku je určen podle velikosti prostoru, který je nutné překlenout. Rozponem se rozumí vzdálenost mezi vnějšími hranami podpor, většinou pozednic. Výšku vazníku ovlivňuje více faktorů. Maximální výška budovy omezená podmínkami stavebního úřadu v dané lokalitě a minimální výška určená výrobní technologií je přibliţně 600mm. Obecně je doporučeno, aby poměr rozponu k výšce vazníku nepřesáhl hodnotu 6,67. Díky dnešním technologiím je dnes moţné vyrábět vazníky v rozpětích aţ 30m a výšce 5m. Běţně však rozměry nepřesahují délku 15m a výšku 3,5m. Z důvodu pouţití přírodního materiálu je nutné při nadměrných délkách pruty napojovat. Napojování je moţné pomocí lepení za poţití zubového spoje, nebo jednodušeji ocelovými deskami s prolisovanými trny. Druhá moţnost je značně praktičtější a levnější, proto se napojování lepením téměř nepouţívá. Přímým důsledkem těchto parametrů je vznik určitého sklonu střechy. Projektant by měl zváţit úhel sklonu střešního pláště a navrhnout na něho vhodný typ krytiny. Na předpokládanou krytinou musí být proveden statický návrh. Horní a dolní pás patří k nejvíce namáhaným částem vazníku, čemuţ obvykle odpovídají i jejich dimenze. Tloušťka prutů je pro běţné vazníky 50mm. Minimální tloušťka je udávána hodnotou 40mm. Z ekonomického hlediska není poţíváno řezivo s šířkou přesahující 80mm. Pro výšku jsou pouţívány profily o velikostech aţ do 260 mm. Mohutnější průřezy nejsou ekonomické a při nutnosti navyšovat únosnost je pouţíváno jiných metod. Nejčastěji je to vyztuţování nejvíce namáhaných částí příhradoviny, například spodního pásu viz obrázek 3. Druhou účinnou metodou je zdvojování celých vazníků.
3.2.3 Diagonály a svislice Diagonály spolu se svislicemi tvoří vnitřní výplet1 příhradového vazníku. Tvoří vnitřní podpůrný systém obvodu vazníku a pomáhají mu efektivně rozkládat všechna zatíţení působící na konstrukci zvenčí. Tyto vnitřní prvky přenášejí znatelně menší síly oproti obvodu konstrukce. Proto je z hlediska úspory dřevní hmoty redukována výška profilu. Šířky profilů jsou vzhledem k technologii spojů v rámci celého vazníku shodné. Pouţitím diagonál vznikají takzvané trojúhelníkové příhrady. (MiTek. 2006) 1
Výpletem se rozumí uspořádání svislic a diagonál ve vazníku.
5
4 Srovnání klasické krovové a vazníkové konstrukce 4.1 Rozdíly mezi klasickými krovy a vazníkovým zastřešením Historické klasické krovové soustavy dělíme na dvě základní skupiny. Nejtypičtější je systém vaznicový, běţně pouţívaný pro rozpětí rodinných domů a jiných středních staveb. Pro malé stavby je často pouţíván bezvaznicový krov (hambalek). Tento typ je vhodný pouze pro malá rozpětí a to obecně do osmi metrů. Hlavní rozdíl oproti příhradovým konstrukcím je evidentní při uplatňování relativně velkých dimenzí pouţívaných trámů. Pouţití je typické pro šikmé střechy se sklony mezi třiceti aţ šedesáti stupni.Rozlišujeme dva typy těchto zjednodušených krovů, krokvový a hambalkový. Speciálním druhem je tuhý hambalkový krov, který je dodatečně vyztuţen leţatou deskou ztuţující konstrukci spojením kleštin. Tyto relativně jednoduché konstrukce umoţňují značnou úsporu dřevní suroviny, oproti vazníkům však nedokáţou překlenout velká rozpětí. Vaznicové krovové konstrukce jsou pro vazníky většími konkurenty. V porovnání s bezvaznicovými systémy jsou vhodné pro utváření značných rozpětí. Pro běţné stavby jako jsou rodinné domy, je maximální umoţněné rozpětí touto konstrukcí krovu dostatečné. Zde jiţ dochází ke značné spotřebě dřevní hmoty vlivem pouţití vaznic, sloupků, pásků a kleštin. Základem vaznicové soustavy jsou podepřené prosté šikmé nosníky. Četnost podepření je závislá na délkách krokví. Obecně je volná vzdálenost krokví mezi podporami navrţena projektantem tak, aby nepřesáhla čtyři a půl metru. Vaznice je běţně podepřena ve dvou bodech, pozednicí a středovou vaznicí. U větších rozponů je navíc pouţívána hřebenová vaznice. Ze statického hlediska jsou u klasických krovů a u vazníků pouţívány shodné spoje. Idealizace pro výpočet obou těchto konstrukcí uvaţuje všechny spoje jako kloubové. Významnou výhodou klasického krovu oproti vazníkům je jeho vyšší poţární odolnost, ta je způsobena především pouţitím značnějších dimenzí. Vazníkové konstrukce disponují velmi malou příčnou tuhostí. Tento fakt a jeho zanedbání způsobuje aţ do dnešní doby časté kolapsy těchto typů střech. Je tedy naprosto nezbytné jednotlivé příhradoviny spojit do celku a tím celou konstrukci střechy ztuţit. Tato metoda se nazývá zavětrování.
6
4.2 Výhody a nevýhody klasických krovových konstrukcí Výhody:
snazší vyuţití půdního prostoru
vyšší poţární odolnost
estetičnost konstrukce
jednodušší doprava na staveniště
snadné zpracování u členitých třech
Nevýhody:
spoje oslabují trámové prvky
větší spotřeba materiálu
vyšší cena řeziva velkých dimenzí
zdlouhavá výroba na staveništi
vyšší hmotnost
4.3 Výhody a nevýhody vazníkových konstrukcí Výhody:
nízká spotřeba materiálu (aţ o 40%)
nízká cena řeziva menších rozměrů
kvalitní a přesná halová výroba
rychlá montáţ na staveništi
rozvinutý návrhový software
lehkost subtilní konstrukce
vhodné pro rozpětí aţ 30 m
tvoří nosnou část pro zavěšení podhledu
Nevýhody:
malé vyuţití půdního prostoru
velmi nízká poţární odolnost
nevhodnost pro příliš členité střechy
sloţitá doprava rozměrných vazníků na staveniště
technologicky nákladná výrobní linka
nákladný a sloţitý návrhový software
7
4.4 Historie výroby vazníků Dřevěné vazníky spojované pomocí ocelových desek s prolisovanými trny (gang-nail) se začaly vyrábět v USA. Jejich prudký rozmach nastal v 50. letech tamtéţ. Nejprve začala být pouţívána technologie vazníků v západní Evropě, odkud se dále šířila směrem na východ. Na přelomu 60. - 70. let pronikla tato technologie i do Československa. Zde vazníky vyráběl podnik Středočeských dřevařských závodů a dodával je především pro zastřešení zemědělských objektů. Konec 90. let se stává průlomovým, především díky zavedení specializovaných výpočetních softwarů. Od tohoto okamţiku nastalo mohutné rozšíření těchto konstrukcí po celé České a Slovenské republice.
4.5 Tuzemští výrobci V České republice je v dnešní době výroba dřevěných vazníků velmi rozšířená. Tyto konstrukce vyrábí desítky firem po celé republice. Pro příklad je uvedeno několik významných výrobců:
-
Gaset s.r.o. (Ţamberk, Pardubický kraj)
-
GOBEN s.r.o. (Lesná, Jihomoravský kraj)
-
Krovy 2000 s.r.o. (Blansko, Jihomoravský kraj)
-
VAZNÍKY D.N.K.s.r.o. (Třebíč, kraj Vysočina)
-
Vario Vila s.r.o. (Uničov, Olomoucký kraj)
-
BOVA Březnice spol. s r.o. (Březnice, Středočeský kraj)
-
KASPER CZ s.r.o. (Trutnov, Královéhradecký kraj)
-
Bios s.r.o. (Dobříš, Středočeský kraj)
8
5 Vazníky na staveništi 5.1 Větrání střechy a kondenzace par Základní myšlenkou této problematiky je udrţení nízké vlhkosti ve střešní konstrukci. Nízká vlhkost v relativně uzavřené střešní konstrukci nevytváří vhodné podmínky pro biotické škůdce dřeva. Při pouţití vazníků v průmyslových nebo zemědělských prostorech je nutné navíc počítat se značnou agresivitou prostředí. V těchto prostorech mohou být poškozovány především kovové styčníkové desky. Jako řešení jsou proto pouţívány nerezové desky, které snadněji odolávají korozi. Stav dřevěných prvků a spojů by měl být pravidelně kontrolován. Do konstrukce můţe dále vnikat vlhkost poškozeným střešním pláštěm nebo podhledem, kterým prochází vzdušná vlhkost produkovaná lidmi a jejich činnostmi (např. dýcháním, vařením nebo koupáním). Průniku dešťové vody se vyvarujeme občasnou kontrolou správné funkčnosti střešní krytiny. Pod krytinou je navíc doporučeno pouţití pojistné folie. Pronikání vnitřní vlhkosti zabráníme pouţitím parotěsné vrstvy. Všechny prostupy folií musí být kvalitně utěsněny. Pro vytvoření vhodných podmínek pro dřevo je nutné udrţovat v konstrukci trvalou vzdušnou cirkulaci. Ta je zajišťována větracími otvory rovnoměrně umístěnými tak, aby co nejlépe vytvářely podmínky pro přirozenou cirkulaci vzduchu. Za těchto okolností je téměř vyloučeno riziko kondenzování vody v konstrukci střechy.
5.2 Skladování a manipulace s vazníky Ani dokonalý statický návrh projektanta nezaručuje vznik hodnotné a stabilní střešní konstrukce. Statický návrh je zaloţen na ověřených a dlouhodobě utvářených výpočetních softwarech. Halovou výrobu neovlivňují klimatické podmínky. Takový způsob výroby, díky osvědčeným výrobním postupům a zkušeným pracovníkům, předurčuje vznik kvalitních výrobků. Podstatnější rizika vznikají při přepravě, skladování a při montáţi. Většina chyb způsobujících různá poškození vazníků vzniká především nedbalostí a lhostejností dělníků. Kaţdý, kdo bude jakkoliv manipulovat s příhradovými konstrukcemi, by měl mít osvojené zásady pro práci s těmito relativně citlivými konstrukcemi. Obecnou zásadou je vazníky skladovat co nejkratší dobu, popřípadě je ihned po dopravení na staveniště zpracovat. Jelikoţ většinou není okamţitá instalace moţná, je 9
nutné vazníky bezpečně uloţit. Veškeré podmínky skladování vycházejí především z faktu, ţe základní stavební jednotkou je dřevo. Dřevo jakoţto přírodní materiál vykazuje značnou citlivost především na zvýšenou okolní vlhkost. Surovina pouţívaná pro výrobu příhradovin má přibliţnou vlhkost 20 %. Není tedy nutné vazníky skladovat v nijak zvlášť suchém prostředí, dostačující je zabránit přímému kontaktu se zemní vlhkostí, vegetací a deštěm. Vazníky ukládáme vţdy dostatečně podloţené a dle potřeby je zakrýváme proti přímému působení deště a slunečnímu záření. Zakrytí nesmí bránit přirozené cirkulaci vzduchu. Tímto se vyvarujeme zapaření a moţnému vzniku hub a plísní při delším skladování. Vazníky lze bez rizik skladovat jak ve svislé, tak i ve vodorovné poloze. Při uloţení „na svislo“ je doporučeno podklady umístit do míst předpokládaných reakcí podpor. Vazníky jsou náchylné především na vybočení ze své základní roviny. Proto je při vodorovném uloţení podkládáme vţdy, tak aby nedocházelo k jejich prohýbání a kroucení. Toho docílíme pouţitím podpěr, minimálně v místech všech styčníků. Dlouhodobé chybné uloţení můţe způsobit nevratné deformace, nebo vazníky plně znehodnotit.
Obr. 4
Obr. 5
Ruční manipulace je často pouţívána pokud se jedná o relativně lehké typy vazníků s plánovaným umístěním na objekty nepřekračující výšku dvou podlaţí. V případech, kdy z technických nebo bezpečnostních důvodů není moţná ruční manipulace, je pouţíváno mechanických manipulačních nebo zdvihacích zařízení. Pouţití techniky značně zkracuje dobu instalace a přepravy vazníků, tím dochází k finančním úsporám. Zohlednit se dá i zdravotní hledisko, protoţe při uţití techniky nedochází k fyzickému přetěţování dělníků, zároveň dochází ke sniţování objemu výškových prací, jelikoţ je moţné jednotlivé sekce (např. valby) smontovat na přilehlých plochách a následně je na střechu pomocí jeřábu vyzdvihnout. Tím jsou redukována rizika úrazů (pády z výšek, úrazy způsobené padajícími předměty v průběhu montáţe atd.). 10
Pouţití techniky přináší i určitá rizika, která je nutno eliminovat přísnými bezpečnostními opatřeními. Nelze manipulovat s rozměrnými střešními prvky za nepříznivých větrných podmínek. Dále je nutné u hmotnějších konstrukcí pouţívat pro zavěšení lan pouze závěsné body schválené projektantem. Tím se vyvarujeme rizika poškození vazníků. Práce se stroji klade zvýšené poţadavky na organizaci staveniště ‒nutný prostor pro zajištění jeřábu jeho bezpečné otáčení. Dále také umístění jeřábu, aby nedošlo jeho značnou hmotností k poškození inţenýrských sítí.
Obr.6
5.3 Postup montáže střechy s příhradovými vazníky Vedoucí pracovník by měl předem zváţit všechna rizika a naplánovat celý průběh montáţe. Jedním z primárních poţadavků na montáţ je vysoká bezpečnost práce. Nelze instalovat vazníky bez obvodových pracovních plošin, ze kterých bude zajištěn dostatečný a bezpečný přístup k vazníkovým podporám. Dělníci by měli být vybaveni úvazky, které je chrání v případě pádu. Jinou alternativou můţe být pouţití záchytných sítí. Nezbytným vybavením všech osob pohybujících se po staveništi by měla být bezpečnostní přilba chránící před padajícími tělesy. Montáţní postup navrhovaný pro většinu běţných střech, převzat z broţury Svět střešních konstrukcí (MiTek. 2006): 1. Označit polohu kaţdého vazníku na obou pozednicích. 2. Osadit první vazník A v bodě, ve kterém se shoduje s vrchním bodem úhlopříčné vzpěry F, která je instalována později. Pouţít dočasnou přečnívající vzpěru B připevněnou na prvky horního pásu a pozednicím k fixaci tohoto vazníku ve správné, přímé 11
a svislé poloze. Pro názornost je uvedena na tomto obrázku pouze jedna přečnívající vzpěra, ale měly by být připevněny vzpěry k oběma horním pásům a měly by mít dostačující délku k udrţení vazníků v dané poloze během vztyčování zbývajících vazníků. 3. Vzpřímit vazník C a ztuţit zpět do A pomocí dočasné latě D ve vhodných vzdálenostech podél horních a spodních pásů. Opakovat tento postup aţ do posledního vazníku E. 4. Upevnit stálé úhlopříčné ztuţení F, které zajišťuje, ţe vrchol kaţdého vazníku je tak vysoko, jako u prvního vazníku A, a ţe dolní konec spodního pásu přesahuje pozednici, do které by měl být připevněn. Pro názornost je na obrázku uvedeno pouze jedno stálé ztuţení, ale měly by být instalovány na obou stranách střechy. 5. Upevnit podélné prvky G a ujistit se, ţe spodní pásy jsou přesně rozmístěny ve správných středech. 6. Upevnit zbývající podélné a úhlopříčné ztuţení a ztuţení horních pásů vyţadované na vnitřních prvcích vazníků, jak bylo specifikováno. 7. Další vazníky mohou být vzpřímeny pomocí dočasně instalovaného ztuţení k dokončení střechy.
Obr.7 Postup montáže.
12
Po instalaci všech vazníků musí být překontrolována jejich svislost, maximální odchylky jsou uvedeny v tabulce na obr. 8. Po kontrole, která neodhalila větší neţ povolené vychýlení ze svislé roviny, se můţe přistoupit k připojení stálého ztuţení a následně nosné části střechy (bednění, laťování).
Obr.8 Maximální odchylka od svislé polohy. (MiTek 2006)
5.4 Zavětrování Jednotlivé vazníky ve střešní konstrukci vykazují velmi nízkou příčnou tuhost. Tento ze statického hlediska velmi váţný nedostatek je způsoben celkovou štíhlostí prutů. Tloušťky prutů se při rozpětí do 16 metrů pohybují v rozpětí mezi 35 – 47 mm. Obecně lze rozlišovat tři typy ztuţení pouţívaných u střech sloţených z vazníků (dočasné ztuţení, ztuţení vazníku a ztuţení střechy). Dočasná ztuţení jsou pouţívána pouze jako součást montáţe jednotlivých vazníků. Vazník je po osazení do svislé a správné polohy zafixován a čeká na umístění zbývajících vazníků. Po dokončení permanentního zavětrovaní jsou tyto dočasné pomocné prvky odstraněny. Za toto ztuţení a přesné uloţení zodpovídá vedoucí montáţe střechy. Dlouhé a štíhlé pruty vazníků je nutné ztuţovat, aby nedocházelo k jejich vybočení z roviny vazníku. To zajistí stabilní chování jednotlivých vazníků. Rozmístění ztuţení je navrhováno projektantem vazníků. Pouţíváno musí být řezivo o minimálních rozměrech 25× 100 mm bez větších vad. Spojování by mělo být prováděno minimálně dvěma hřebíky v kaţdém kříţení. Pouţívají se pozinkované hřebíky kruhového průřezu 3,35 × 65 mm. V praxi je běţně pouţíváno příčné jednoduché (ztuţidlo uprostřed ztuţovaného prvku), nebo dvojnásobné ztuţení aplikované ve třetinách viz obr. 10. Pro ztuţení dvou nebo pouze jednoho vazníku je předešlá metoda nepouţitelná. Dlouhé, štíhlé prvky osamělých vazníků ztuţujeme podélným připevněním prvku o rozměrech 25 × 100 mm. Taková to aplikace výztuţného prvku změní profil vyztuţovaného dílce, a tím sníţí jeho štíhlost v kritickém směru viz obr. 9.
13
Obr. 10
Obr. 9
Ztuţení střechy jako celku patří k poslední fázi vytvoření tuhé střešní konstrukce. Pro přenášení vnějších sil působících na vazník vlivem větru je pouţívána celá řada ztuţujících metod. Nejběţnějšími jsou podélné ztuţení, diagonální ztuţení, ztuţení krokví atd. pouţívaný materiál a spojovací prvky jsou shodné jako u vyztuţování prvků jednotlivých vazníků. Za ztuţení střechy nenese odpovědnost projektant vazníků, ale stavební projektant, který má přístup ke všem informacím ohledně objektu. (MiTek. 2006)
Obr. 11 Zavětrování.
14
6 Dřevo jako materiál Dřevo je při výrobě vazníkových konstrukcí primárním vstupním zdrojem. Tvoří téměř celou příhradovou konstrukci, s výjimkou ocelových spojovacích prostředků. Dále je pouţito pro zavětrování celé střešní konstrukce tvořené z jednotlivých vazníků. Je tedy nezbytné seznámit se alespoň se základními vlastnostmi dřeva, které mohou ovlivňovat především jeho pevnost.
6.1 Obecné vlastnosti dřeva V první řadě je nutné si uvědomit, ţe dřevo je přírodní materiál. Z toho vychází většina vlastností odlišujících ho od jeho průmyslově vyráběných konkurentů, především od oceli a betonu. Fyzikální a mechanické vlastnosti mají značný anizotropní charakter. Rozlišujeme tři základní roviny: příčnou, radiální a tangenciální. Významný rozdíl mechanických vlastností je ve směru podélném a kolmém na vlákna. Velikost celistvého dřevěného prvku je omezena velikostí kmene a jeho následným zpracováním (pokud neuvaţujeme lepené dřevo), ocelové či betonové prvky jsou rozměrově téměř neomezené.Dřevo se vyznačuje značně heterogenní vnitřní stavbou. Po chemické stránce nemá ţádný svůj výrazně dominantní stavební prvek, například oproti oceli tvořené převáţně ţelezem. Chemické zastoupení jednotlivých sloţek je proměnné především mezi druhy dřevin. Základní stavební jednotky tvoří látky mající charakter polymerů, sloţených převáţně z uhlíku, kyslíku, vodíku a dusíku. Nejvyšší zastoupení mají polysacharidy, celulóza (35-56%) a hemicelulózy (15-35%). Dále pak polyfenoly, lignin (15-35%). Naše dřeviny obsahují 1 – 3 % dalších doprovodných látek, jako jsou především třísloviny, pryskyřice, silice, soli křemíku, draslíku, sodíku, vápníku, hořčíku, manganu, ţeleza a hliníku.
Obr.12 Průměrné procentické zastoupení hlavních složek dřeva našich nejvýznamnějších dřevin
15
Na Obr. 12 vidíme relativně velké odchylky v procentuálním obsahu hlavních sloţek dřeva. Na mechanické vlastnosti (pruţnost, pevnost, plastičnost a houţevnatost) má také značný vliv stavba dřeva. Hustá vnitřní stavba charakterizuje těţké, tvrdé a mechanicky velmi odolné dřeviny (habr, akát). Pro stavební konstrukce je u nás nejpouţívanější dřevinou smrk a jedle, spadající do skupiny dřev s nízkou hustotou (ρ12< 540 kg.m-3). Vlastnosti jsou mezi jednotlivými druhy dřevin velmi proměnlivé. Neovlivňuje je pouze druh, ale například i růstové podmínky stromu a jeho následné zpracování. Z důvodu této značné rozmanitosti byly vytvořeny třídy určující charakteristické pevnosti. Nezanedbatelnou vlastností je dále vlhkost. Dřevo je hydroskopický materiál, schopný přijímat nebo odevzdávat kapaliny nebo plyny ze svého okolí. Z praktického hlediska je nejdůleţitější látkou voda. Vodu dle uloţení ve dřevě dělíme na chemicky vázanou, vázanou (hydroskopickou) a na volnou (kapilární). Chemicky vázaná je součástí sloučenin a nelze ji odstranit sušením. Kapilární voda vyplňuje především lumeny a ostatní volné prostory mezi jednotlivými buňkami. Největší vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti má voda vázaná. Vyskytuje se při vlhkosti 0 – 30% a je uloţena uvnitř buněčných stěn. Zde platí přímá úměra mezi vlhkostí a mechanickou odolností. Čím větší mnoţství vody obsahují buněčné stěny, tím se zhoršují jeho pevnostní charakteristiky. Přímým důsledkem změny vlhkosti ve dřevě jsou rozměrové změny (bobtnání a sesychání). Významným problémem je zvyšování heterogenních vlastností vlivem vzniku přirozených vad. Ty vznikají během růstu stromu, těţby, přepravy a během vlastního zpracování dřevní suroviny. Suky patří mezi nejvýznamnější znehodnocující prvky, tvoří 70-80% všech vad. Způsobují odklon dřevních vláken a letokruhů (vzniká závitek).Značným problémem jsou také trhliny. Trhlinu lze charakterizovat jako místo, kde došlo k roztrţení podél dřevních vláken. Trhliny dělíme na dřeňové, odlupčivé, mrazové, výrobní, výsušné atd. viz obr. 13. Další významné vady jsou křemenitost, nádory (boulovitost), točitost, zárosty a další. Z našeho pohledu je důleţitá pouze skutečnost, ţe všechny výše vyjmenované vady zvyšují heterogenní vlastnosti dřeva a tím sniţují jeho mechanické vlastnosti.
16
Obr. 13Typy čelních trhlin v kulatině. 1 - jednoduchá dřeňová trhlina, 2 - složená dřeňová trhlina, 3 - odlupčivá trhlina (podle Gandelová, Horáček, Šlezingrová 2009)
Vzhledem ke všem těmto skutečnostem je v rámci bezpečnosti návrhu pouţíván pro výpočet návrhové pevnosti dílčí součinitel materiálu γM. Tento dílčí součinitel vyjadřuje určitou spolehlivost materiálu při daném namáhání a pouţití. Je logické, ţe dřevo jako materiál má výrazně niţší míru spolehlivosti neţ např. ocel nebo beton. (Gandelová, Horáček, Šlezingerová. 2009)
6.2 Výhody a nevýhody dřeva Výhody: -
Obnovitelný zdroj (při trvale udrţitelném hospodaření)
-
Vysoká přirozená estetičnost (barva, textura)
-
Vysoká pevnost a pruţnost v poměru k hustotě
-
Dobré tepelně-izolační vlastnosti
-
Nízká teplotní roztaţnost (oproti kovům)
-
Snadno se opracovává
-
Plně ekologicky odbouratelné
-
Významný zdroj energie
Nevýhody: -
Hydroskopičnost
-
Rozměrové změny (kolísáním obsahu vody- sesychání, bobtnání)
-
Anizotropní charakter vlastností (liší se ve 3 základních směrech)
-
Hořlavý materiál
-
Podléhá abiotickým a biotickým činitelům
-
Nehomogenní materiál (značná proměnlivost vlastností)
(Horáček. 1998) 17
7 Trvanlivost dřeva Dřevo je jako přírodní materiál náchylné k biologické degradaci. Nejčastěji ho napadají různé druhy hub, hmyzu a plísní. Degradaci mohou způsobovat i atmosférické vlivy nebo oheň. Trvanlivost je spjatá s podmínkami, jakým je dřevo vystaveno, za ideálních podmínek nedochází k téměř ţádnému poškození dřevní hmoty.
7.1 Základní principy ochrany Dřevo chráníme především za účelem zachování jeho přirozených vlastností. Ze statického hlediska jsou důleţité především ty mechanické. Existují čtyři základní typy ochrany dřeva přirozená, fyzikální, chemická a konstrukční. Příhradové vazníky jsou obvykle chráněny konstrukční ochranou (střešní krytina je chrání před atmosférickými vlivy, především od vlhkosti) a ochranou chemickou (postřik nebo máčení fungicidní a insekticidní impregnací). Vazníky jsou z větší části přirozeně chráněny před hmyzem a houbami nízkou vlhkostí ve střešní konstrukci. Dřevokazný hmyz nenapadá dřevo s trvale niţší vlhkostí neţ je 10%, dřevokazné houby dokonce aţ do 18 %. Chemická ochrana je pouţívána pro případ nedostatečné konstrukční ochrany (kraje vazníku zasahující do exteriéru, zatékání, pronikání par z interiéru). Mezi nejvýznamnější dřevokazné houby patří dřevomorka domácí, koniofora sklepní a pórnatka vailantova. Typický hmyz napadající dřevo v našich podmínkách je tesařík krovový, červotoč prouţkovaný, červotoč tečkovaný a hrbohlav parketový atd.
Obr. 14 Častí dřevokazní škůdci.
18
Norma ČSN EN 335-1chrakterizuje pět tříd ohroţení dřeva. Třídy jsou děleny podle podmínek, ve kterých jsou konstrukce umístěny. Vazníkové konstrukce pouţívané na obytných budovách lze zařadit do třídy ohroţení 1. Třídy ohroţení jsou rozlišeny především pro výběr vhodného typu ochrany dřeva. Čím vyšší třída, tím je dřevo vystavováno extrémnějším podmínkám viz klasifikace tříd. Klasifikace tříd ohrožení: Třída ohrožení 1 – dřevo v interiéru staveb plně chráněné před povětrností, bez rizika vyluhování vodou, mimo kontakt se zemí nebo neizolovaným zdivem. Vlhkost dřeva nikdy nepřevýší 20 %. Předpokládá se moţné napadení dřevokazným hmyzem, napadení dřevokaznými houbami a plísněmi je zanedbatelné. Třída ohrožení 2 – dřevo v interiéru staveb chráněné před účinky povětrnosti a vyluhování vodou, vlhkost prostředí můţe vést k občasnému zvýšení vlhkosti dřeva nad 20 %. V tomto prostředí lze předpokládat moţné napadení dřevokazným hmyzem, dřevokaznými houbami a plísněmi. Třída ohrožení 3 – dřevo v exteriéru nebo v interiéru nechráněné před působením povětrnosti a vyluhování vodou. Není v trvalém kontaktu se zemí nebo sladkou vodou. Vlhkost dřeva je opakovaně a často vyšší neţ 20 %. Lze předpokládat moţnost napadení dřevokaznými houbami, plísněmi a hmyzem. Třída ohrožení 4 – dřevo v trvalém kontaktu s vodou nebo se zemí. Vlhkost trvale vyšší neţ 20 %. Lze předpokládat napadení houbami, hmyzem a plísněmi. Třída ohrožení 5 – dřevo v trvalém a přímém kontaktu s mořskou vodou. V našich podmínkách nepřichází v úvahu. (Kuklík a Kuklíková. 2010)
7.2 Používané chemické prostředky Pro konstrukce vystavené první třídě ohroţení je dostatečná povrchová impregnace (průnik látky do hloubky 2 mm). Aplikace je prováděna nátěrem, nástřikem nebo ponořováním. Obvykle se pouţívají prostředky na vodní bázi obsahující fungicidní a insekticidní chemikálie. Mezi nejrozšířenější pouţívané značky ochranných prostředků patři Lignofix a Bochemit. 19
8 Požární odolnost Proces hoření dřeva lze popsat jako termický rozklad jeho základních stavebních komponentů. Samotné dřevo jako takové hoření nepodléhá, vlivem vysokých teplot dochází k rozkladu jeho sloţek, které uvolňují hořlavé plyny. Po smíšení s atmosférickým kyslíkem dojde k jejich vznícení. Spolu s plyny se z dřevní hmoty uvolňuje i vodní pára, která je ředí a zvyšuje tak jejich teplotu vzplanutí. To nám jednoduše odpovídá na otázku, proč vlhké dřevo špatně hoří. Voda obsaţená ve dřevě je přirozeným retardérem hoření. Dále je hořlavost ovlivněna hustotou, chemickým sloţením, anatomickou stavbou dřeva a hrubostí jeho povrchu. Dřevo je oproti kovům špatným tepelným vodičem, tím zbrzďuje své zahřívání a následný termický rozklad. Během odhořívání se navíc zvětšuje zuhelnatělá vrstva, která svými vlastnostmi izoluje zbytek nedotčeného průřezu od poţáru viz obr. 12. Největší výhodou však je, ţe dřevo vlivem vlastního zahřátí neztrácí tak rychle (jako např. ocel nebo hliník) své mechanické vlastnosti. K měknutí oceli dochází jiţ při 550°C (teplota poţáru běţně přesahuje aţ 1000°C), důsledkem je rychlá ztráta mechanických vlastností a relativně náhlý kolaps konstrukce. U dřevěných konstrukcí dojde ke zhroucení aţ po zeštíhlení průřezu vlivem odhoření, na kritickou mez únosnosti. Dále má dřevo oproti kovům aţ 5 × menší tepelnou roztaţnost, tudíţ nejsou pruty tak náchylné na vybočení ze svých os. Tato vlastnost zvýhodňuje dřevěné konstrukce před ocelovými. (Horáček. 2008)
Obr. 15 Změna dřeva v průřezu konstrukčního prvku při požáru: a - vrstva zuhelnatělého dřeva, b - vrstva pyrolýzy (tepelného rozkladu dřeva), c - vrstva tepelně nezměněného dřeva (podle Kuklíka.2005).
20
8.1 Požární odolnost vazníkových konstrukcí Hořlavost lze vyjádřit jako poměr povrchu a objemu prvku. Je tedy více neţ jasné, ţe subtilní vazníkové pruty mají tento poměr relativně špatný. Značně problematické jsou i nekryté styčníkové desky. Stavební konstrukce lze rozdělovat podle jejich poţární odolnosti vyjádřené v minutách. Existuje sedm tříd (15, 30, 45, 60, 90, 120 a 180 minut). Vazníky spojované pomocí ocelových desek s prolisovanými trny nelze zařadit ani do první třídy odolnosti. Stabilita vazníků během poţáru je obecně velmi nízká. Řešením tohoto problému můţe být pouţití speciálních nátěrů. Ty v případě poţáru napění a vytvoří tak dočasnou bariéru mezi poţárem a nosnou konstrukcí. Druhou moţností je pouţití protipoţárního podhledu, který bude po určitou dobu udrţovat poţár v bezpečné vzdálenosti od vazníkové konstrukce a umoţní tak bezpečný únik osob ze zasaţeného objektu.
9 Analýza dle modelu výpočtu 9.1 Cíl analýzy Analýza se soustředí na ovlivnění výsledků statického výpočtu zvolením různých výpočetních modelů. Zkoumány budou především rozdíly ve vnitřních napětích jednotlivých prutů tvořících obvod vazníku. Porovnány budou dvě metody návrhu:„kloubové napojení diagonál a svislic“ a soustava s provedeným výpočtem tuhosti spojů (MiTek software).
9.2 Základní výpočetní modely Na výpočet příhradových konstrukcí lze uplatnit několik výpočtových modelů. Jejich vznik zapříčinila snaha o zjednodušení, přesněji o zobecnění celého výpočtu. Problematika se zabývá především chováním spojů tvořených deskou s prolisovanými trny. Obecně je udáváno, ţe tento spojovací prvek vytváří téměř tuhý spoj. Větší tuhost vykazuje uţ pouze spoj lepený. Přestoţe styčník spojovaný ocelovými deskami s trny vykazuje relativně vysokou tuhost, je v rámci bezpečného návrhu uvaţován jako spoj kloubový. Spoj nevykazuje absolutní tuhost, proto s ní nemůţeme uvaţovat při návrhu (navrhujeme vţdy ve směru bezpečnosti). V naší analýze je porovnán výpočetní model uvaţující připojení prutů do styčníků klouby (Dlubal – RSTAB 7) a výpočet uvaţující s mírou tuhosti (MiTek - MII20/20). 21
Obr. 17 logo společnosti MiTek s.r.o.
Obr.16 logo společnosti Ing. Software Dlubal s.r.o.
9.2.1 Výpočetní model „kloubově připojené pruty“ Příhradový vazník je sloţen z hmotných obdélníkových průřezů. Pro idealizaci výpočtu jsou průřezy nahrazeny pouze jejich osami určenými těţišti. Toto zjednodušení předpokládá spojení os prutů v teoretickém styčníku. Tento výpočetní model zohledňuje vlastnosti prutů, které jsou ve styčníku průběţné. Napojení prutů do styčníků se provádí teoretickým kloubovým spojem viz obr. 18. Takové řešení je umoţněno díky výpočetnímu softwaru. Největší výhodou je přesnější určení chování vazníkové konstrukce při jejím zatíţení. Starší metody vystihovaly chování konstrukce méně přesně (např. styčníková, ritterova atd.). Při pouţití těchto metod jsou vazníkové spoje idealizovány jako klouby viz obr. 19.
Obr. 17
Obr. 18
9.2.2 Výpočet zohledňující výpočet tuhosti spoje (MiTek software) Idealizace spojů, jako kloubových napojení spolu se zachováním vlastností vycházejících z průběţnosti prutů spojem, byla aplikována na všechny výpočty pro analý22
zu vazníků. Společnost MiTek se zabývá vývojem dokonalejší metodiky výpočtu. Její software uvaţuje při výpočtu s mírou tuhosti spojů ve styčnících. Tím dochází k ještě dokonalejšímu výpočtu chování vazníkové konstrukce. Přesnější výpočet návrhových sil umoţní navrhovat příhradové konstrukce úsporněji.
9.3 Vyhodnocení výsledků Obě výpočetní metody byly aplikovány na naprosto stejný vazník, u obou byl shodně zatíţen viz obr. 14. Přesto byl po návrhu profilů částí vazníku (horní pás, dolní pás a diagonály) dle návrhových vnitřních si, zaznamenán mírný rozdíl v přípustných minimálních dimenzích. Software MiTek - MII20/20 posoudil profil 50×80mm (spodní pásnice) jako vyhovující. RSTAB vyţadoval minimální výšku profilu 100mm, aby byly splněny podmínky spolehlivosti. Dokonalejší software tedy provedl úspornější návrh dolní pásnice. Ostatní profily byly navrţeny oběma programy shodně. Bylo tedy poukázáno na relativně stejné výsledky výpočtů poskytnuté jednotlivými programy. RSTAB pracuje jednodušeji (neuvaţuje s mírou tuhosti spojů), přesto poskytuje naprosto uspokojivé výsledky. Podstatné je, ţe dochází pouze k návrhu s vyšší mírou spolehlivosti, a tak je návrh ve směru bezpečnosti konstrukce. MII20/20 můţe tedy navrhnou vazník se subtilnějšími profily prvků, a tím uspořit dřevní hmotu. Jeho významnost nabývá zejména při návrzích rozsáhlých střešních konstrukcí.
Obr.19 Zadání navrhovaného vazníku.
23
10 Metoda konečných prvků 10.1 Úvod Metoda konečných prvků je v současné době povaţována za nejuniverzálnější metodu
pro
řešení
variačně
formulovaných
problémů
fyziky
souvisejících
s problematikou teorie polí. V dnešní době má obrovské uplatnění, pouţívá se v celé řadě oblastí fyziky, např. v mechanice kontinua (teorie pruţnosti, plasticity, viskoelasticity, viscoplasticity atd.), vedení tepla, difuze, elektřině, magnetismu atd. MKP2 je uplatňována u většiny poţívaných programů pro navrhování stavebních konstrukcí. K velikým přednostem této metody v oblasti mechaniky kontinua patří zejména moţnost řešení úlohy pro obecný geometrický tvar tělesa, obecné zatíţení a uloţení i pro komplikované konstitutivní vztahy materiálu. Dále snazší řešení materiálově nehomogenních problémů například oproti metodě hraničních prvků. (PETRUŠKA. 2013)
10.2 Vývoj MKP Počátky vývoje této metody souvisí s rozvojem počítačů. Historické počátky spadají do roku 1940 do Spojených států amerických. Zde byla pouţívána inţenýry působícími v americkém zbrojním průmyslu. První matematické zformulování teorie „po částech spojitých polí“ je datováno roku 1943, jejímţ autorem byl R. Courant. Následný prudký rozvoj teorie souvisí s vývojem výpočetních technologií padesátých letech dvacátého století. Tato metoda významně byla rozvíjena především ve Spojených státech, Německu a Velké Británii. Na principu metody konečných prvků pracuje i software společnosti Dlubal RSTAB, který byl poţit na většinu výpočtů v této práci. (PETRUŠKA, 2013)
2
MKP – Metoda konečných prvků
24
11 Výpočet zatěžovacích stavů pro analýzu dle Eurokódu 11.1 Systém evropských norem – Eurokódy Snaha o sjednocení norem pouţívaných v Evropě má počátky jiţ v roce 1975. Mezi prvními mezinárodními organizacemi zabývajícími se přípravami evropských norem byly: CEB (Evropský výbor pro beton) a FIP (Mezinárodní federace pro předpjatý beton). Tyto organizace vydaly předpis pro navrhování konstrukcí s názvem Model Code, který se stal vzorem pro vypracování nových evropských přednorem (ENV). Jako první vznikla ENV 1990 Zásady navrhování a zatíţení konstrukcí a ENV 1991 Zatíţení stavebních konstrukcí, které se staly základním kamenem pro ostatní materiálové přednormy. S přihlédnutím k novým poznatkům začaly být tyto předběţné evropské normy postupně převáděny na normy EN. Tyto Evropské normy zpracovávány a vydávány Evropskou normalizační komisí (CEN). Pro navrhování stavebních konstrukcí ze všech materiálů je k dispozici deset Eurokódů. Tyto normy jsou psané v angličtině a nezabývají se rozdílnými specifickými podmínkami jednotlivých zemí. Následně byly proto tyto normy přeloţeny a doplněny o národní přílohy. Tímto vznikly i Eurokódy aktuálně pouţívané v České republice. ČSN EN 1990 Eurokód : Zásady navrhování konstrukcí ČSN EN 1991 Eurokód 1: Zatíţení konstrukcí ČSN EN 1992 Eurokód 2: Navrhování betonových konstrukcí
ČSN EN 1993 Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí ČSN EN 1994 Eurokód 4: Navrhování spřaţených ocelobetonových konstrukcí ČSN EN 1995 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí ČSN EN 1996 Eurokód 6: Navrhování zděných konstrukcí ČSN EN 1997 Eurokód 7: Navrhování geotechnických konstrukcí
ČSN EN 1998 Eurokód 8: Navrhování konstrukcí odolných vůči zemětřesení ČSN EN 1999 Eurokód 9: Navrhování hliníkových konstrukcí
Obsah ČSN EN 1991 Eurokód 1: -
ČSN EN 1991-1-1 Objemové tíhy, vlastní tíhu a uţitná zatíţení
-
ČSN EN 1991-1-3 Zatíţení sněhem
-
ČSN EN 1991-1-4 zatíţení větrem
-
ČSN EN 1991-1-5 zatíţení teplotou
-
ČSN EN 1991-1-6 zatíţení během provádění
-
ČSN EN 1991-1-7 mimořádná zatíţení 25
11.2 Obsah národních příloh (NP)
hodnoty národně stanovených parametrů (třídy, hodnoty výslovně specifikované v EN, výběr z moţných způsobů řešení apod.)
specifické údaje z hlediska klimatických a geografických podmínek státu pouţívané postupy, pokud je umoţněna jejich volba rozhodnutí o pouţívání informativních příloh odkazy – informace usnadňující pouţívání EN
11.3 Cíle a účely Eurokódů
uvést návrhová kritéria a metody splňující poţadavky na mechanickou odolnost a stabilitu, poţární bezpečnost, spolehlivost pouţívání, trvanlivost a hospodárnost usnadnit specifikace smluv, jednání (projektant, provozovatel, vlastník, zhotovitel, výrobce) výměna výrobků a spolupráce mezi státy společný základ pro další výzkum příprava společných návrhových pomůcek a výpočtových programů
11.4 Zatížení stavebních konstrukcí Zatíţení lze definovat jako mechanické nebo fyzikální působení na konstrukci. Těleso je vlivem vnějších zatíţení nebo působení fyzikálních jevů deformováno, posouváno nebo v něm vznikají vnitřní napětí. Zatíţení dělíme na přímá a nepřímá. Přímá zatíţení jsou vytvářena silami, tlakem a momenty. Nepřímá zatíţení jsou způsobena různým sedáním základů, změnami teplot, dotvarováním materiálů, zemětřesením atd.
11.4.1 Dělení dle proměnlivosti v čase 11.4.1.1 Stálá zatížení (G) Obvykle působí svou hmotností na navrhovanou konstrukci po celou dobu její ţivotnosti. Poloha a velikost sil vyvozovaných tímto zatíţením mají velmi malou, nebo téměř nulovou proměnlivost v čase. Typicky je způsobeno vlastní tíhou objektu, stálými výrobními zařízeními, podlahami, omítkami, střešní krytinou, násypy atd. Druhotně je lze dělit na zatíţení s příznivým vlivem na nosnou konstrukci (např. přitíţení proti překlopení balkonu nosnou stěnou). A na ty s negativními účinky (střešní tašky, hmotnost stropu).
26
11.4.1.2 Nahodilá zatížení (Q) Nepůsobí na objekt po celou dobu jeho trvání. Jejich směr, působení i velikost se můţe často měnit. Rozdělujeme je do tří skupin:uţitná (provoz, stroje, vybavení), klimatická (sníh, vítr, námraza), vynucená přetvoření (změny provozních teplot, dotvarování konstrukce).
11.4.1.3 Mimořádná zatížení (A) Tato zatíţení působí obvykle po velmi krátkou dobu a jen velmi zřídka. Příčiny jejich vzniku mohou být výbuchy, nárazy dopravních prostředků nebo přírodní katastrofy (zemětřesení, povodně, tornáda).
11.4.2 Dělení dle rychlosti změny 11.4.2.1 Statická zatížení Lze je charakterizovat stabilní, nebo jen velmi pomalu proměnlivou hmotností. Jejich pohyb nezpůsobuje nosné konstrukci ţádné významné zatíţení vlivem setrvačných sil. Jako příklad lze uvést všechna stálá zatíţení. 11.4.2.2 Dynamická zatížení Jsou způsobována relativně těţkými (v poměru s hmotností budovy) nárazově se pohybujícími předměty (brzdící automobily, pohyb jeřábu po dráze uloţené na konstrukci). Značná dynamická zatíţení jsou často způsobena velkým zrychlení nebo naopak zpomalením. Při těchto prudkých změnách rychlostí těţkých strojů jsou konstrukci předávány značné setrvačné síly. Ty mohou vyvolávat pohyby konstrukce (např. kmitání) a tím ji namáhat.
11.4.3 Dělení dle proměnlivosti v prostoru Zatíţení lze rozdělit na pevná a volná. Pevná vykazují neustále stejný směr i velikost působení, jedná se především o hmotnost nosné konstrukce a jejích trvalých součástí. Volná mění relativně často svou intenzitu a směr působení po budově. Jsou to například uţitná zatíţení (pohyb strojů a osob), nebo zatíţení vyvolaná působením větru a sněhu. 27
11.4.4 Charakteristiky zatížení -
Normová hodnota zatíţení (je hodnota zatíţení, které očekáváme)
-
Součinitel zatíţení (vyjadřuje náhodné odchylky od normových hodnot)
-
Výpočtová hodnota zatíţení (normové zatíţení upravené jeho součinitelem)
11.5 Mezní stavy Během navrhování stavebních konstrukcí rozlišujeme při posuzování dvě skupiny mezních stavů. Mezní stav únosnosti udává bod, při kterém dojde k selhání konstrukce (vlivem nízké pevnosti materiálu, vybočení prutu atd). Pokud mezní stav únosnosti nenastane, je zaručena stabilita konstrukce. Druhou skupinu tvoří mezní stavy pouţitelnosti. Tento stav udává nepouţitelnost konstrukce v důsledku nadměrných deformací. Z hlediska bezpečnosti osob méně důleţitý, protoţe neohroţuje ţivoty lidí, svým moţným kolapsem. Konstrukce je přesto nepouţitelná například pro velký průhyb (například konstrukce stropu). Tento stav nabývá své důleţitosti především při posuzování ocelových a dřevěných konstrukcí, které obecně trpí značnou pruţností.
Obr. 20 Ukázka typické deformace vazníku při zatížení.
11.6 Úvod do výpočtu Pro výpočet zatěţovacích členů je naprosto nezbytné znát přesné umístění stavby. Českou republiku dělíme mnoha způsoby, nejčastěji však pomocí map, které charakterizují dané oblasti svými specifickými zatěţovacími hodnotami. Pro statika je důleţité určit budoucí stavební parcelu, kde se nachází navrhovaný objekt a tím získat základní informace o působení sněhu a větru v dané lokalitě. 28
Z hlediska větrné zátěţe na budovy je Česko děleno na pět oblastí. Na většině území našeho státu nevznikají nijak značné výkyvy z hlediska působení větru (přes 90 % zabírá II. a III. větrná oblast). Drobnou výjimku tvoří pouze horské a vysokohorské oblasti, kde je předpokládáno vyšší větrné zatíţení. Střední rychlosti větru kulminují mezi 22,5 a36ms-1.Tato hodnota je charakterizována jako „desetiminutová střední rychlost větru ve výšce 10 m nad zemí v terénu s nízkou vegetací“. Oproti působení větru, je rozmanitost průměrné sněhové pokrývky značně vyšší. Z tohoto důvodu je naše území děleno na 8 sněhových oblastí. Určením polohy staveniště je dále získána charakteristická hodnota zatíţení sněhem. Pohybuje se od 0,7 do 4,0kNm-2, to v praxi můţe znamenat rozdíl větší neţ330 kg/m2 sněhu mezi první a osmou sněhovou oblastí. Hodnotu osmé sněhové oblasti navíc přesně určuje Český hydrometeorologický úřad. Hodnoty zatíţení vycházejí z dlouholetých průměrů a v rámci bezpečnosti jsou navyšovány dílčím součinitelem pro nahodilá zatíţení. Tato úprava sice značně navyšuje hypotetické zatíţení konstrukce (na 150 % původní hodnoty), ale z hlediska nevyzpytatelnosti povětrnostních vlivů je naprosto nutná.
11.6.1 Teoretické umístění objektu a jeho vliv na výpočet Rodinný dům, na který budou navrhovány všechny příhradové vazníky zkoumané v této práci, je umístěn v obci Letohrad. Město se nachází v Pardubickém kraji a leţí v nadmořské výšce 372 metrů nad mořem. Znalost polohy města umoţňuje zjistit oba základní parametry pro výpočet zatíţení působících na stavbu vlivem větru a sněhu. Dle normy je moţné stavbu zařadit do druhé větrové oblasti. Působení větru značně ovlivňuje charakter terénu přiléhajícího k naší stavbě. Okolní překáţky (vegetace a budovy) výrazně sniţují větrné rychlosti. Objekt bude situován v městské zástavbě, s budovami průměrně nepřevyšujícími 15 m. Letohrad se nachází ve IV. sněhovém pásmu, to udává charakteristickou hodnotu zatíţení sněhem v úrovni terénu 2kNm-2.
11.6.2 Charakter budovy Jedná se o smyšlený objekt průměrně velké dřevostavby. Rodinný jednogenerační dům s půdorysnými rozměry 8x 10 m. Pro zastřešení dvou obytných podlaţí je pouţita sedlová střecha se sklonem 26 stupňů. Vazníková konstrukce je dimenzována na rozpon osmi metrů, střecha nebude disponovat přesahy. Pod zastřešením budou umístěny obytné místnosti. Je tedy nutné počítat s dostatečně tepelně izolovaným pod29
hledem. Podhled tvoří sádrokarton na ocelovém roštu, jako zateplení je navrţeno 200 mm minerální izolace. Vazník je navrţen tak, aby nesl celý podhled i s izolací. Jako krytina je vybrána pálená francouzská taška. Výrobce udává její moţné pouţití u těsného podstřeší aţ do sklonu 24°, naše střecha tedy splňuje poţadavky výrobce na pouţití. Výška hřebene měřená od terénu je předpokládána ve výšce osmi metrů.
11.6.3 Navržený podhled Jako vyhovující podhled je vybrána sádrokartonová skladba společnosti Rigips. Jsou pouţity desky se zvýšenou poţární odolností (označované písmeny DF, viditelně odlišitelné díky růţovému potisku na líci). Budou šroubovány do ocelového roštu kotveného do vnitřních stěn a vazníkové konstrukce. Tato skladba byla vybrána pro navýšení poţární odolnosti vazníkové konstrukce tvořící současně strop a střešní rovinu. Vazníky mají vzhledem k subtilnosti příhrad velmi nízkou odolnost vůči poţáru, pouţitím podhledu Rigips je navýšena poţární odolnost na hodnotu REI 30.Na nosném roštu jsou kříţově uloţeny dvě vrstvy minerální izolace Isover AKU o celkové tloušťce 200 mm.Výrobce udává výborné vlastnosti z mnoha hledisek: nehořlavost, vysokou tepelněizolační schopnost a nízkou objemovou hmotnost, zdravotní nezávadnost atd.
Obr. 21 Navržená deska Rigips.
30
12 Dlubal RSTAB 7 12.1 Ing. Software Dlubal Počátky společnosti sahají aţ do roku 1987, kdy byla v Německu zaloţena. Firma se zabývá vývojem programů pro statické a dynamické výpočty. Společnost je situována ve třech pobočkách, Tiefenbach (východní Bavorsko), Praha a Lipsko. Praţská pobočka byla zaloţena jako druhá a to jiţ v roce 1990. Jako svou filozofii vývoje povaţuje společnost slova „uţivatelská přívětivost“. Maximální snaha je tedy věnována snadné ovladatelnosti vyvíjených softwarů. Velmi významná je spolupráce s firmou FEM Consulting Brno. Tato firma pracuje jiţ od roku 1967 na výzkumu metody konečných prvků. Spojením zkušeností obou těchto společností vznikl relativně snadno ovladatelný výpočetní software pracující se spolehlivým a stabilním výpočetním jádrem (MKP).
12.2 Charakteristika programu Pro výpočty byla pouţita originální studentská verze RSTAB 7.04.3310. Tento software byl ke studentským účelům zapůjčen od společnosti Ing. Software Dlubal. Software se specializuje na výpočty prutových konstrukcí ve 2D a 3D.
12.3 Hodnocení ovladatelnosti a funkčnosti softwaru Program RSTAB 7 disponuje českým rozhraním, tím velmi usnadňuje své ovládání. Často pouţívané funkce je moţné spouštět více způsoby, tak jak uţivateli vyhovuje. Práci dle mého názoru nejvíce zjednodušují ikony nástrojů, podobný systém pouţívá i AutoCAD společnosti Autodesk. Pouţívání těchto schematických ikon značně urychluje a zjednodušuje pouţívání základních nástrojů. K programu je od autorů zpracována velmi podrobná uţivatelská příručka, díky které je poměrně jednoduché za krátký čas software ovládat.V případě problémů je k dispozici hotline (informační linka pro zákazníky), která dle mých vlastních zkušeností funguje naprosto výborně. Ovladatelnost a funkčnost softwaru mohu tedy hodnotit jako velmi kvalitní. S programem společnosti MiTek jsem pracoval o poznání méně (návrh a posouzení pouze jednoho vazníku), tudíţ ho nemohu objektivně posoudit.
31
13 Analýza základních typů vybraných vazníků 13.1 Metodika Analyzovány jsou vazníky shodného rozpětí a výšky. Osové vzdálenosti jednotlivých příhrad mezi sebou jsou navrţeny na jeden metr. Statické vlastnosti příhradových konstrukcí jsou variovány změnou skladby vnitřního výpletu (diagonál a svislic). Analýza předpokládá, ţe vnitřní skladba příhradovin bude ovlivňovat vznikající osové síly a ohybové momenty v konstrukci, a to především v horní a dolní pásnici. Všechny vazníky budou zatíţeny stejnou kombinací zatěţovacích stavů. Napětí vznikající v obvodových částech vazníku jsou hlavními faktory při návrhu dimenzí profilů. Analýze budou při stejných základních rozměrech (rozpětí a výška) podrobeny základní skladby vnitřních výpletů. Na prvky příhradové konstrukce působí samostatná normálová síla (většinou diagonály a vzpěry) nebo její kombinace s ohybovým momentem. Největší tahové, tlakové a momentové síly působí v horní a dolní pásnici. Proto je obvod příhradoviny vţdy tvořen značně hmotnějšími průřezy neţ vnitřní část. Maximální pozornost bude věnována především kritickým napětím vznikajícím v horní a dolní pásnici vazníku. Pro získání zkoumaného ekonomického parametru (spotřebované kubatury) jsou prvky tak dlouho zeštíhlovány dokud nejsou těsně pod hranicí své spolehlivosti. Změna průřezu musí být z technologických důvodů uplatňována především na výšky profilů (spojování deskami vyţaduje průřezy o stejných tloušťkách). Analýza se snaţí určit vazníkovou skladbu charakterizovanou optimálně štíhlými pruty. Velikosti profilů budou měněny po jednom centimetru, tak aby byl průřez maximálně vyuţit a nevykazoval nadbytečně vysokou míru spolehlivosti.
13.2 Cíl analýzy Analýza se snaţí určit vazníkovou skladbu charakterizovanou působením co nejmenších napětí na pruty příhradoviny. Výsledkem by mělo být zjištění ideální skladby pro roznášení sil po obvodu vazníku, tak aby mohl být navrţen co nejúsporněji. Nedílnou součástí posudku bude určení celkové významnosti variování vnitřních výpletů. Analýza by měla zhodnotit, zda je určení ideální skladby diagonál a svislic ekonomicky významné.
32
13.3 Data analýzy Bylo zvoleno 9 různých skladeb vnitřního uspořádání příhrad viz obr. 23. Vazníkům byly přiřazeny takové dimenze jednotlivých částí, aby při posouzení mezních stavů (mezní stav pouţitelnost, mezní stav únosnosti) byla konstrukce vyhovující.
Obr. 22 Posuzované skladby výpletů.
Statická analýza velmi úzce souvisí s ekonomikou vazníku. Čím menší jsou návrhové hodnoty sil, tím subtilnější profily řeziva mohou být navrhovány. V práci nebyla uvaţována změna výsledné ceny vazníku vlivem mnoţství pouţitých styčníkových spojů, nebo jiných vlivů. Práce se soustředí pouze na ekonomičnost návrhu s ohledem na úsporu řeziva. Při zkoumání statických veličin popisujících příhradovou konstrukci máme k dispozici jejich poměrně značný počet. Mezi nejvýznamnější patří maximální normálové síly, momenty a hodnota maximálního průhybu konstrukce vazníku. Normálové síly jsou kritické především ty se zápornými znaménky, značícími tlak. Jelikoţ jsou pouţívány často relativně štíhlé pruty, je tak sniţována jejich únosnost vlivem vzpěru. 33
Kritické síly vznikající na různých částech vazníku jsou přímo úměrné s volbou minimálního profilu prvku schopného přenést dané napětí. Tímto se stává nejvýznamnějším faktorem pro zhodnocení zkoumaných výpletů kubatura spotřebovaného řeziva na vazník viz tabulka 1. Vzhledem k tomu, ţe zjištěné hodnoty působících napětí ve vazníku se odráţí v hodnotách spotřebovaného řeziva, budou jednotlivé skladby výpletů hodnoceny uţ jen pouze dle faktoru spotřeby dřevní hmoty. K roku 2013 se cena stavebního řeziva vhodného pro konstrukční prvky vazníků pohybuje přibliţně na hodnotě 5000Kč/m3bez DPH. číslo výpletu 1 2 3 4 5 6 7 8 9
spotřeba dřeva (m3) 0,11 0,105 0,106 0,101 0,103 0,217 0,108 0,107 0,159
seřazení dle spotřeby cena dřevní suroviny dřeva (Kč) 0,101 (výplet 4) 505 0,103 (výplet 5) 515 0,105 (výplet 2) 525 0,106 (výplet 3) 530 0,107 (výplet 8) 535 0,108 (výplet 7) 540 0,11 (výplet 1) 550 0,159 (výplet 9) 795 0,217 (výplet 6) 1085
peněžní ztráta (Kč) 0 10 20 25 30 35 45 290 580
Tabulka 1
13.4 Diskuze Hodnoty spotřeby dřevní suroviny nám rozdělují typy výpletů do dvou hlavních skupin, na skupinu s efektivním uspořádáním výpletu a na vazníky, které disponují naprosto nevhodným uspořádáním diagonál a svislic. Prvních sedm vazníkových výpletů (dle tabulky)lze hodnotit jako kvalitní. Jedná se o vazníky, které mají relativně podobné vnitřní síly a vyţadují tak přibliţně shodné rozměry profilů, které jim zajišťují poţadovanou míru spolehlivosti. Jako nejideálnější se jeví Příhradová konstrukce s výpletem č. 4.
Obr. 23 Vazník s nejlépe uspořádaným výpletem v analýze (č.4).
34
Vazník číslo 9 nám jasně dokazuje nezanedbatelný vliv uspořádání diagonál a svislic vazníku na jeho celkový návrh. Přesto ţe bylo pouţito stejné mnoţství a přibliţně i stejná kubatura prutů výpletu, jako u vazníku číslo 5, tak mezi nimi vznikají velmi významné rozdíly. Finální rozdíl spotřeby řeziva mezi výplety č. 9 a č. 5 dosahuje na jednom vazníku hodnoty 0,056m3dřevní hmoty.
Obr. 24 Ukázka rozdílů v uspořádání diagonál vazníků č. 9 a č. 5.
Výplet číslo 6 svým uspořádáním naprosto potlačuje zásady navrhování příhradových konstrukcí vazníků. Nedisponuje ţádnou diagonálou, v důsledku není vytvořen ve výpletu ţádný trojúhelník a tak vazník vlastně nedisponuje ţádnou vnitřní příhradou (nejedná se tedy o příhradovou konstrukci). Spotřeba řeziva je více neţ dvojnásobná oproti vazníku pouţívajícímu vhodně navrţený výplet. Toto uspořádání je tedy shledáno jako naprosto nevyhovující. Pro svůj extrémně špatný návrh nebude uvaţováno pro ekonomické srovnání.
Obr. 25 Vazník číslo 6 - chybné uspořádání výpletu.
Z ekonomického hlediska se zdá rozdíl mezi výplety vazníků č. 4 a č. 9 poměrně značný. Cena řeziva spotřebovaného na jeden vazník je mezi těmi s největším rozdílem kubatury přibliţně 290Kč. Za předpokladu pouţití u rodinného domu by rozdíl ceny byl řádově pouze v tisícikorunách. S ohledem na dnešní celkové ceny rodinných domů pohybující se v milionech, je uspořádání výpletu vazníku z ekonomického hlediska poměrně nevýznamné. Jelikoţ byla analýza aplikována na rozměrově malý model vazníku (rozpon 8m a výška 2m), dá se předpokládat, ţe při návrhu rozměrnější vazníkových konstrukcí bude volba vazníkového výpletu nabývat na významnosti. Tato myšlenka vychází z předpokladu, ţe čím rozměrnější a tím pádem i draţší střešní konstrukce bude navrhována, tím větší úspory můţe být dosaţeno při volbě ideálního vazníkového výpletu.
35
14 Závěr Vazníkům jsem se věnoval jak z teoretického hlediska, tak z hlediska jejich navrhování. Pro teoretickou část byly vybrány především kapitoly související se statikou. Byly zhodnoceny vlastnosti dřeva významně ovlivňující jeho pevnost (anizotropní charakter, přirozená vlhkost atd.). Dále jsou v práci vystihnuty faktory, které mohou sniţovat pevnost jiţ zabudovaného dřeva v konstrukci (dřevokazní škůdci, houby,poţární účinky atd.). Nezbytnou kapitolou byl popis základních principů týkající se veškerých prací s vazníky (skladování, montáţ, ochrana dřeva atd.). Jako teoretický úvod do výpočtu byla představena metoda konečných prvků, jakoţto základ pouţitého výpočetního softwaru. Byl popsán program pouţívaný pro výpočty a společnost, která mi poskytla jeho studentskou verzi. Bylo prokázáno, ţe pouţitý výpočetní model aplikovaný na příhradové konstrukce v této práci (aplikovaný v RSTABu) je plně vyhovující. Výsledky RSTABu byly porovnány se specializovaným programem firmy MiTek. RSTAB přisuzoval vazníkům niţší míru spolehlivosti neţ specializovaný software, návrhy byly tedy mírně zkresleny, ale ve směru bezpečnosti návrhu. Ze srovnání vyplynulo, ţe statická analýza poukázala na značně se měnící mechanické vlastnosti vazníků vlivem variování jejich výpletů. U většiny však byl prokázán relativně malý vliv pro následné dimenzování profilů. Po vzestupném seřazení deseti variací výpletů je vidět u prvních sedmi vazníků poměrně malý rozdíl kubatur pouţitého řeziva. Po vyjádření rozdílů kubatur řeziva v penězích jsou rozdíly mezi vazníky ještě méně patrné. Výraznější rozdíly spotřeby materiálu jsou viditelné u posledních třech výpletů, které lze klasifikovat jako vazníky s nevhodně uspořádanými diagonálami a svislicemi. Z těchto poznatků plyne poměrně velký význam výpletu vazníku na jeho celkové mechanické vlastnosti.
36
15 Summary My bachelor thesis titled „Structural and Economical Analysis of Roof WoodenTrusses“ is focused on a specific type of truss – the truss coupled by board susing a technology gang-nail. The thesis consists of theoretical and practical part. The theoretical part contains chapters mainly related to statics. The reisan evaluation and description of wood properties, which significantly affect mainly its mechanical properties, in this part. An essential part of the charter consists of a description of the basic principle srelated to work with trusses (storage, assembly, wood protection, etc.). The practical part describes the use of software and theoreticali dealization of truss for calculation. The model is compared to specialized software made by MiTekcompany. The various inner constructions of trusses are analyzed. Further more, this part focuses on the design of power changing due to different composition of diagonals and verticals. Design for cesare used to determine matching dimensions of elements and then consequently for economican alysis.
.
37
16 Seznam použitých zdrojů 16.1 Literární zdroje 1) KUKLÍK, P – KUKLÍKOVÁ, A. Navrhování dřevěných konstrukcí příručka k ČSN EN 1995-1. 1. vydání. Informační centrum ČKAIT, s.r.o., Praha 2010. 140 s. ISBN 978-80-87093-88-7 2) KUKLÍK, P. Dřevěné konstrukce. 1. Vydání. Informační centrum ČKAIT, s.r.o., Praha 2006. 172 s. ISBN 80-867669-72-0 3) SCHUNCK, E – OSTER, H – BARTHEL, R – KIESSL, K. Atlas střech, šikmé střechy. 4. vydání. Bratislava 2003. Přeloţeno z německého originálu Dach Atlas, ISBN 80-88905-58-3 4) MiTek Industries s.r.o. Svět střešních konstrukcí. Brno, 2006. 85 s. 5) SVATOŇ, J. Ochrana dřeva. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Brno 2000. 203 s. ISBN 80-7157-435-X 6) URBAN. J. Ochrana dřeva Hlavní hmyzí dřevokazní škůdci. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Brno 1997. 131 s. ISBN 80-7157-254-3 7) GANDELOVÁ, L – HORÁČEK, P - ŠLEZINGEROVÁ. J. Nauka o dřevě. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Brno 2009. 176 s. ISBN 978-807375-312-2 8) HORÁČEK, P. Fyzikální a mechanické vlastnosti dřeva I. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně. Brno 2008. 124 s. ISBN 978-80-7375-169-2 9) MOTYČKA, L. Zatíţení stavebních konstrukcí. Průmyslová střední škola v Letohradě. 35 s. . 10) PROCHÁZKA, J. 2010, Vývoj, zavádění a pouţívání Eurokódů. [online]
11) PETRUŠKA, J. učební texty Vut. citováno 21. dubna 2013 [online]
16.2 Normy 1) ČSN EN 1990 Eurokód 0: Zásady navrhování konstrukcí 38
2) ČSN EN 1991 Eurokód 1: Zatíţení konstrukcí. část 1-1 : Objemové tíhy, vlastní tíha a uţitná zatíţení budov. 3) ČSN EN 1991 Eurokód 1: Zatíţení konstrukcí. část 1-3 : zatíţení sněhem. 4) ČSN EN 1991 Eurokód 1: Zatíţení konstrukcí. část 1-4 : zatíţení větrem. 5) ČSN EN 1995 Eurokód 5: Navrhování dřevěných konstrukcí 6) ČSN EN 335 Trvanlivost dřeva a materiálů na jeho bázi, definice tříd, ohroţení biologickým napadením. část 1: Všeobecné zásady 7) ČSN EN 335 Trvanlivost dřeva a materiálů na jeho bázi, definice tříd, ohroţení biologickým napadením. část 2: Aplikace na rostlé dřevo
16.3 Internetové zdroje ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒
39
17 Přílohy 17.1 Seznam obrázků Obr. 1 Popis hlavních částí vazníku.. ......................................3 Obr. 2 Styčníková deska s prolisovanými trny společnostiMiTek . ................................................................................................4 Obr. 3 Ukázka pouţití styčníkových desek v různých částech vazníku(MiTec 2006). ...4 Obr. 4 Bezpečné vodorovné skladování (MiTec 2006)................................................ 10 Obr. 5 Bezpečné svislé skladování (MiTec 2006) ....................................................... 10 Obr. 6 Mechanická manipulace (MiTec 2006) ............................................................ 11 Obr. 7 Postup montáţe(MiTec 2006). ......................................................................... 12 Obr. 8 Maximální odchylka od svislé polohy(MiTec 2006). ....................................... 13 Obr. 9 Alternativní ztuţení diagonál (MiTec 2006) ..................................................... 14 Obr. 10 Ztuţení vazníků (MiTec 2006) ....................................................................... 14 Obr. 11 Zavětrování(MiTec 2006). ............................................................................. 14 Obr. 12 Průměrnéprocentické zastoupení hlavních sloţek dřeva našich nejzastoupenějších dřevin (Horáček 1998 - podle Blaţeje 1975) .................................. 15 Obr. 13 Typy čelních trhlin v kulatině. 1 - jednoduchá dřeňová trhlina, 2 - sloţená dřeňová trhlina, 3 - odlupčivá trhlina (podle Gandelová, Horáček, Šlezingrová 2009).. 17 Obr. 14 Častí dřevokazní škůdci............................... 18 Obr. 15 Změna dřeva v průřezu konstrukčního prvku při poţáru: a - vrstva zuhelnatělého dřeva, b - vrstva pyrolýzy (tepelného rozkladu dřeva), c - vrstva tepelně nezměněného dřeva (Kuklík.2005). ............................................................................. 20 Obr. 16 logo společnosti Ing. Software Dlubal s.r.o. ............. 22 Obr. 17 logo společnosti MiTek s.r.o. .................................... 22 Obr. 18 Model výpočtu aplikovaný v analýze ............................................................. 22 Obr. 19 Ukázka výpočetního modelu s uvaţovanými kloubovými spoji ...................... 22 Obr. 20 Zadání navrhovaného vazníku........................................................................ 23 Obr. 21 Ukázka deformace při zatíţení(MiTec 2006) ................................................. 28 Obr. 22 Navrţená deska Rigips.............................................. 30 Obr. 23 Posuzované skladby výpletů. ......................................................................... 33 Obr. 24 Vazník s nejlépe uspořádaným výpletem v analýze (č. 4). .............................. 35 Obr. 25 Ukázka rozdílů v uspořádání diagonál vazníků č. 9 a č. 5. .............................. 35 Obr. 26 Vazník číslo 6 - chybné uspořádání výpletu. .................................................. 35
40
17.2 Přílohy pro analýzu 17.3 Vstupní data pro analýzu výpletů 17.3.1 Použitá kombinace zatížení (podhled, krytina, vítr a sníh):
41
17.3.2 Výpočty jednotlivých zatížení (v Excel 2007) stálá zatížení: podhled: m (kg/m2) Gk (kNm 2)
sádrokar. podhled Rigips zateplení 2x isover AKU 10cm
G
Gd (kNm-2)
12
0,12
1,35
0,162
8
0,08
1,35
0,108
∑
0,270
G
Gd (kNm-2)
krytina: m (kg/m2) Gk (kNm 2)
Francouzská střešní taška laťování, folie
40,7
0,407
1,35
0,54945
10
0,10
1,35
0,135
∑
0,684
proměnlivá zatížení: zatížení sněhem: Letohrad (sněhová oblast IV) s = µi * Ce * Ct * Sk sklon střešní roviny 26°
Sk
µi
Ce
Ct
(kNm-2)
G
0,8
1
1
2
1,5
Sku (kNm-2)
G
Sd (kNm-2)
návětrná strana
1,6
1,5
2,400
závětrná strana
0,8
1,5
1,200
symetrická sedlová střecha
zatížení větrem Letohrad (371m.n.m.) Zákl. rychlost větru (2 vět. oblast - do 700m.n.m.) kategorie terénu č.3 součinitel orografie součinitel výška hřebene Intenzita turbulence měrná hmotnost vzduchu součinitel terénu součinitel drsnosti terénu střední rychlost větru maximální dynamický tlak 42
značka
hodnota
jednotky
Vb,0
25
m/s-1
z0 Co kI z Iv q Kr cr Vm qp
0,3 1 1 8 0,304561 1,25 0,215389 0,707212 17,68031 611,8873
m m kg/m3 m/s-1 Pa
návětrné plochy F, G a H součinitel vnějšího tlaku (26°) F,G charakteristické zatížení větrem součinitel zatížení návrhové zatížení větrem
Cpe
0,566
Wk Wd
0,346328 1,5 0,519
Cpe
0,346
Wk Wd
0,211713 1,5 0,318
Cpe
-0,4
Wk Wd
-0,244755 1,5 -0,367
Cpe
-0,7
Wk
-0,428321 1,5 -0,642
γG
součinitel vnějšího tlaku (26°) H charakteristické zatížení větrem součinitel zatížení návrhové zatížení větrem
γG
závětrné plochy I a J součinitel vnějšího tlaku (26°) I charakteristické zatížení větrem součinitel zatížení návrhové zatížení větrem
γG
součinitel vnějšího tlaku (26°) J charakteristické zatížení větrem součinitel zatížení návrhové zatížení větrem
γG
Wd
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
17.3.3 Dělení střešních rovin sedlové střechy na zóny dle působení tlaku
43
17.3.4 Mapa České Republiky – sněhové oblasti (ČSN EN 1991-1-3)
17.3.5 Mapa České Republiky – Větrné oblasti (ČSN EN 1991-1-4)
44
17.3.6 Materiálové charakteristiky použitého řeziva – C24
45
17.4 Vazník číslo 1 – Základní výstup z RSTAB a TIMBER Pro
46
47
48
49
50
51
52
17.5 Zjednodušený popis vazníků č.2 – č.9 (RSTAB 7) Vazník číslo 2
Vazník číslo 3
53
Vazník číslo 4
Vazník číslo 5
54
Vazník číslo 6
Vazník číslo 7
55
Vazník číslo 8
Vazník číslo 9
56
17.6 Vstupní data pro posouzení výpočetního modelu 17.6.1 MiTek 20/20
57
Výsledky posouzení - navrţené profily:
Výsledky posouzení - styčníkové desky:
Výsledky posouzení - styčníky:
Výsledky posouzení – napětí v prutech:
58
17.6.2 Dlubal RSTAB, TIMBER Pro Zadání konstrukce
59
Posouzení
17.7 Prováděcí výkresová dokumentace (MiTek 20/20)
60
Ukázka – pořezové schéma
61
