m. haiman-suvremene drvene konstrukcije

Strokovni posvet GRADNJA LESENIH STAVB 15. 5. 2012, Cankarjev dom, Ljubljana

SUVREMENE DRVENE KONSTRUKCIJE

MOGUĆNOSTI STATIČKOG I ARHITEKTONSKOG OBLIKOVANJA

MODERN WOODEN STRUCTURES POSSIBILITIES OF STATIC AND ARCHITECTURAL DESIGN

Miljenko Haiman, PhD, MSc CE, Associate Professor, Faculty of Architecture, University of Zagreb [email protected] SAŽETAK U radu se prikazuju mogućnosti dizajniranja suvremenih drvenih konstrukcija kroz nekoliko primjera izvedenih konstrukcija i naglaske rješavanja nekih detajla. Suvremene drvene konstrukcije su konstrukcije bazirane na suvremenim proizvodima od drva kao što su lijepleno lamelirano drvo, X-lam ploče, LVL, LSL zatim „I“-joists gredni nosači kao kombinacija drvenih pojaseva i OSB hrpta i sl. Upotreba ovih proizvoda intenzivirala se posljednjih pedesetak godina, a posebno dolazi do izražaja danas i u budućnosti obzirom da je drvo obzirom na svoje mehaničke kerakteristike vrlo dobar građevinski materijal. Kroz prikaz izvedenih objekata sa suvremenom glavnom nosivom drvenom konstrukcijom pokazati će se prednosti i mane kao i mogućnosti i preporučljiva rješenja obzirom na utrošak građe i pričvrsnog pribora. Ključne riječi: suvremene drvene konstrukcije, lijepljeno lamelirano drvo, proizvodi od drva,

statičko oblikovanje, izvedene drvene konstrukcije ABSTRACT

The paper presents the design features of modern timber structures through several examples of derivative structures and highlights solutions for certain details. Modern wooden structures are based on modern wood products such as glulam wood, X-Lam board, LVL, LSL as well as "I"-joists as a combination of wood flange and OSB ridge belts, etc. The use of these products has intensified over the past fifty years, and is particularly evident today and in the future given that the wood due to its mechanical characteristics is a very good building material. Through the display of facilities with modern main wooden structure, the advantages and disadvantages as well as options and recommended solutions with regard to consumption of materials and fastening devices will be presented. Key words: Modern wooden structures, glulam timber, wooden products, static design,

derived wooden structures

mailto:[email protected]


1. UVOD Drva četinara danas su najčešće vrste drva koja se upotrebljavaju u modernim drvenim lijepljenim konstrukcijama. Drvo je ortotropan materijal vrlo dobrih mehaničkih karakteristika u smjeru paralelno vlakancima, posebno nosivost u vlaku i tlaku. Nosivost okomito na smjer vlakanaca mu je dosta manja, a najlošije je glede vlačne nosivosti okomito na vlakanca. Kod projektiranja drvenih konstrukcija o tome treba voditi računa i posebnu pažnju posvetiti oblikovanju detalja. Jedna od najpovoljnijih odlika drva je njegova mala masa, kao i činjenica da je drvo vrlo dobar toplinski i zvučni izolacioni materijal. Zbog toga se drvo nameće kao povoljan građevinski materijal posebno za gradnju raznih vrsta konstrukcija koje natkrivaju veće prostore, a sve više se u obliku ploča od drva (X-lam) koristi u stambenoj izgradnji. U mnogim državama stambena izgradnja objekata do visine od 4 kata danas više nije nikakav problem. Zbog male mase drvo je povoljno za gradnju u potresnim područjima, kao što je situacija kod nas u jugoistočnoj Europi. Obzirom da drvo ima pet puta manju masu od armiranog betona i sile u potresu su gotovo pet puta manje i konstrukcije od drva mogu lakše preuzeti sile potresa, a dominantno za proračun postaje opterećenje vjetrom. Drvo, a posebno lijepljeno lamelirano drvo i srodni proizvodi danas je estetski najprihvatljiviji materijal, pa tako imamo konstrukcije sportskih objekata, teniskih dvorana, sakralnih objekata, javnih objekata, nad bazenima, stambenih zgrada ili mostova od drva. Naravno da su poznati dometi koji se mogu ostvariti drvenim konstrukcijama, pa tako lamelirane gredne nosače projektiramo do raspona od oko 40 m, lučne bilo dvozglobne ili trozglobne (sa ili bez zatege) do raspona od oko 60 m pa i više, rešetke do raspona od 60 m, prostorne kupolaste i do raspona od 100 m (gredni sistemi iz Holzbau Taschenbuch Band 1, sl. 1.).

Slika 1. Rasponi grednih lameliranih nosača iz Holzbau Taschenbuch Band 1

Najveći rasponi savladani sa drvenim konstrukcijama su kod kupole u Tacomi u USA promjera 162 m, i Odate Jukai dome u Japanu koja je izvedena od drva čempresa ovalnog oblika sa glavnim rasponima 153 i 157 m. Treba naglasiti da je zdnjih dvadesetak godina prevladalo uvjerenje da su drvene konstrukcije protupožarno visoko otporne, a pogotovo se to odnosi na lamelirane i X-lam konstrukcije jer se proizvode vatro i vodootpornim ljepilima i zato jer su im projektirane dimenzije (preko 12 cm debljine) takve da mogu bez problema podnijeti požarno opterećenje i preko 60 minuta. Gorivost drva četinara je 0.6 do 0.8 mm/min. Bitna pozitivna karakteristika drva u požaru je da ne gubi nosiva svojstva, t.j. mehaničke karakteristike kod visoke temperature se bitno ne mijenjaju.


Slika 2. 3D prikaz konstrukcije Teniske dvorane u Rovinju

2. NEKE IZVEDENE DRVENE KONSTRUKCIJE Prilikom svakog projektiranja drvene konstrukcije posebnu pažnju treba posvetiti utrošku drvene građe i čelika za spojne elemente. Elementi drvenih konstrukcija uglavnom se spajaju čeličnim elementima od tankog lima i čavlima (danas ima niz patentnih sustava) ili elementima posebne izrade koje oblikuju projektanti i spajalima kao što su vijci, trnovi, moždanici i sl. 2. 1. Teniska dvorana u Rovinju

Mrežasta struktura je izvedena od lijepljenih lameliranih drvenih elemenata istih duljina 280 cm i poprečnog presjeka 8/38 cm, spojenih u čvorovima pomoću čeličnih križnih elemenata sa gornje i doje strane. Ti elementi su međusobno stegnuti pomoću vijaka M-16 i ostvaruju prijenos sila. Raspon konstrukcije je 36.6 m, a ukupna duljina dvorane iznosi 64 m i natkriva 4 teniska terena. Visina konstrukcije u tjemenu je 9.5 m. U srednjem dijelu su čelični stupovi koji se sa gornje strane cvjetoliko oblikovani. Funkcija tih stupova zajedno sa AB temeljima je da preuzmu sile uzgona od djelovanja vjetra na konstrukciju. Pokrov je od jednostruke PVC trevire (UV zaštićene). Danas nakon 15 godina korištenja vlasnik zna da mora promijeniti pokrov jer je 15 godina vijek trajanja trevire. Utrošak lameliranog drva za ovu konstrukciju bio je 0.05 m3/m2 tlocrta. Utrošak čelika je 7.5 kg/m2. Želim naglasiti da sam u dosadašnjim istraživanjima došao do zaključka da se racionalne drvene konstrukcije izvode sa utroškom lameliranog drva u granicama 0.05 do 0.12 m3/m2. Konstrukcije sa većim utroškom građe spadaju u masivne drvene konstrukcije. Isto tako ukoliko utrošak čelika za spojeve i spajala poraste iznad 10 kg/m2 tlocrta rješenja detalja na konstrukciji postaju upitna i neracionalna. Naglašavam to iz razloga što je svakom investitoru važno da zna koliko će ga koštati konstrukcija, a to je naravno interesantno i arhitektima koji se bave projektiranjem konstrukcija. Slika 3. Teniska dvorana u Rovinju, izvedena 1997. g.


2. 2. Škola na otvorenom u Zagrebu

Nad prostorom 10 x 15 m, arhitekt je predložio rješenje nadstrešne četverostrešne drvene konstrukcije sa glavnim rešetkastim nosačima oslonjenim na drvene stupove. Konstrukcija nije smjela imati bočne vertikalne spregove za stabilizaciju nego su stupovi trebali biti upeti. Želja arhitekta je bila da sve bude od drva. Kako su upeti spojevi u drvenim konstrukcijama teško izvedivi i konstrukcija bi imala tendenciju da se može ljuljati pod opterećenjem ukoliko nema spregove za stabilizaciju, predložena je konstrukcija čija statička shema je prikazana na slici 4. Glavnu nosivu drvenu konstrukciju tvore lamelirani drveni okviri zaobljenih kuteva na intradosu po radiusu 200 cm. Maksimalna debljina lamela koja se smije upotrijebiti na ovom radiusu bila je 12 mm. Dimenzije poluokvira su 16/40 cm na dijelu stupa, što se u dijelu prečke od 16/45 cm smanjuje prema 16/30 cm u tjemenu okvira. Takva su i dva poluokvira postavljena okomito na te okvire sa vanjske strane (sl. 5.). U kutevima gledano tlocrtno su lamelirani drveni grebeni oslonjeni na stupove. Stupovi su konstantni presjeka 16/30 cm, a gornji dio tvore grebeni koji se od 16/36 cm smanjuju na 16/30 cm u tjemenom spoju. Spojevi okvira na temelje i u tjemenu izvedeni su čeličnim papučama. Kod ove konstrukcije bitno je da je arhitekt dozvolio ugradnju zatega na visini od oko 3 m. Time su bitno (cca 35%) smanjene dimenzije glavnih lameliranih nosača jer su smanjene deformacije koje su mjerodavne za određivanje dimenzija nosača. Detalj prihvata zatege vidljiv je na slici 6. Slika 4. Prikaz prostornog sustava za Slika 5. Izvedena nadstrešna konstrukcija statičku analizu

Gdje god je to moguće i kad god to ne smeta arhitektonskom rješenju predlaže se postavljanje zatega kojima će se smanjiti deformacije. To se posebno odnosi na dvozglobne sisteme ili na zakrivljene gredne sisteme kao i na koljenaste gredne sisteme koji imaju veći kut nagiba. Arhitekti ćesto žele projektirati koljenaste (sedlaste) gredne nosače no oni imaju manu da se u srednjoj zoni nosača pojavljuju znatna poprečna vlačna naprezanja koja zapravo diktiraju minimalno potrebnu visinu nosača. Postoji niz rješenja kojima se mogu preuzeti velika poprečna vlačna naprezanja, a jedno od najefikasnijih je sigurno ugradnja navojnih šipki kroz sredinu poprečnog presjeka u tjemenu nosača gdje se šipke mogu ugraditi do dubine od 1 m okomito na smjer Slika 6. Detalj spoja zatege u kutu okvira

pružanja lamela, sa gornje i sa donje strane.


Na primjeru naponskog stanja uzrokovanog poprečnim vlačnim naprezanjima na jednom sedlastom nosaču (sl. 7.) pokazuje se problematika koju rješavaju ugrađene navojne šipke ili kod ekstremnih nagiba, a kad to ne smeta može se ugraditi zatega i riješiti problematika prevelikih deformacija.

Slika 7. Prikaz poprečnih naprezanja okomito na os nosača u MPa, i raspored po visini u središnjem presjeku

2. 3. Konstrukcija nad bazenima u Sv. Martinu na Muri

Na primjeru lamelirane drvene konstrukcija nad bazenima u Sv. Martinu na Muri još jednom se pokazuje mogućnost kvalitetne suradnje arhitekta i inženjera. Kontinuirani lučni lamelirani nosači koji se oslanjaju na čelične stupove bi zbog svog oblika imali relativno velike deformacije za računska opterećenja i u takvim okolnostima je arhitektu predloženo da se ugrade čelične zatege na krajevima lučnih dijelova elemenata kont. nosača sa Besista spojnicama. Poprečni presjek glavnih dvostrukih nosača je 2 x 16/120 cm. Da nije ugrađena zatega ti nosači bi iz uvjeta Slika 8. Zatege na lučnim dijelovima nosača deformacija morali biti visoki 160 cm. lam. drvene konstrukcije u Martinu na Muri

To daje razliku od 33% povećanja utroška drvene građe. Cijena te građe je naravno dosta veća u odnosu na zatege koje su ugrađene i tu je ostvarena povoljna racionalizacija.

Treba naglasiti da su davno rađena istraživanja najpovoljnijih dimenzija poprečnih presjeka sekundarnih i glavnih elemenata neke konstrukcije za isto opterećenje. Varirani su razmaci glavnih nosača i te analize su pokazale da su najoptimalniji razmaci od 5.7 m no za primjenu u praksi treba reči da su prihvatljivi razmaci glavnih nosača od 5.5 do 6.0 m. Manji ili veći razmaci od navedenih vrijednosti dati će nepovoljnije veće utroške drvene građe. Razmaci glavnih nosača preko 7.5 m daju raspone sekundarne konstrukcije koja će u tom slučaju imati znatnije dimenzije. Nije neobićno da se tada pojavi i tercijarna konstrukcija koja može biti izvedena od kontinuiranih nosača koji imaju povoljniji raspored unutarnjih sila te se opet može štediti na drvnoj građi.


3. Upeti detalji nastavka nosača

Prilikom projektiranja sportskih dvorana u Kazahstanu mjerodavni uvjet za izvođenje konstrukcije bile su transportne mogućnosti prijevoza elemenata lam. nosača od Slovenije do npr. Alma Ate gdje je izedena lam. drvena konstrukcija teniske dvorane. Pokrov je bio od napuhanih jastuka od PVC trevire. Na desnoj slici 9, prikazan je jedan od izvedenih nastavaka kakvi se pojavljuju na tri mjesta na dvozglobnim lučnim nosačima. Spoj je izveden čeličnim „T“ profilom položenim kroz sredinu poprečnog presjeka u nastavku sa gornje i donje strane. Kao spojno sredstvo su korišteni trnovi promjera Ø 20 mm, a na 4 mjesta sa svake strane nastavka izvode se spojevi prolaznim Slika 9. Upeti nastavak dvozglobnih vijcima i velikim podložnim pločicama koje lučnih lam. nosača dvorane u Kazahstanu

međusobno povezuju spoj u kompaktnu cjelinu. 4. Umjesto zaključka

Drvene konstrukcije, a posebno suvremene drvene konstrukcije spomenute u ovom radu predstavljaju našu budućnost. Racionalnim korištenjem i suradnjom arhitekata i inženjera možemo ostvariti perspektivne rezultate, u pravcu zdravog življenja. Prenosim iz časopisa PRIRODA iz članka prof. Dalibora Sumpora neke izuzetno interesantne činjenice, koje govore u prilog poticanja kontroliranog uzgoja šuma i kontroliranog korištenja drva. Šume su savršene ekološke tvornice. One su drugi po važnosti proizvođač kisika na Zemlji, odmah iza mora i oceana. Gotovo 12 sati dnevno listovi stabala iz atmosfere vežu ugljični dioksid potreban u procesu fotosinteze. U tom procesu tokom jednog dana hektar šume veže oko 900 kg CO2, a oslobađa oko 600 kg kisika. Jedno stablo za svog života “uskladišti” gotovo tonu CO2. Ovo su pokazatelji koji govore u prilog činjenice poticanju kontroliranog uzgoja šuma ali i činjenice da drvna industrija u bilo kojim oblicima proizvodi najmanje CO2, kojeg proizvode mnoge druge industrije koje zagađuju okoliš. References:

[1] K.H. Gotz, D. Hoor, K. Mohler, J. Natterer; Timber Design and Construction Sourcebook;

McGraw-Hill, Inc., 1989. knjiga, Printed in USA [2] Z. Žagar; Drvene konstrukcije I i II, PRETEI d.o.o., knjige, Zagreb, 2004. [3] European Committee for Standardization (CEN): Eurocode 5: Design of Timber

Structures, standard

[4] G. Werner, K. Zimmer; Holzbau 1 i 2, Springer - Verlag, knjige, Berlin Heidelberg New York, 1999.

[5] R. von Halasz; Claus Scheer; Holzbau Taschenbuch, Band 1, knjiga, Ernst & Sohn Berlin 1986.

[6] BESISTA, katalog (2009), http://www.besista.eu/ [7] COSMOSM (2008), Manual GeoStar V2.95, priručnik [8] M. Haiman; Cost-efective Timber Structures, RIM 209, Egypt Cairo, članak, 7th

Iternational Scientific Conference, 26. September 2009. [9] M.Haiman, Anliza sigurnosti lameliranih nosača, disertacija, Građevinski fakultet

Sveučilišta u Zagrebu, 2001. god.

http://www.besista.eu/

m. haiman-suvremene drvene konstrukcije

Documents