Předpoklady pro pevnost spoje u třmenového schodiště s ohledem na vlastnosti dřeva
27. 8. 2007
Schodiště je základní prvek téměř každé bytové stavební konstrukce. Původně se začalo využívat z důvodu úspory obestavěného prostoru v zastavěné aglomeraci a tím se umožnilo zvyšování staveb. Podle druhu a účelu stavby se schodiště postupně vyráběla z různých materiálů a různých konstrukcí. Jedním ze schodišť, která jsou v současné době často využívána, je schodiště třmenové.
Obr. 1: Třmenové schodiště
Pevnost dřevěného schodiště závisí především na kvalitním spojení stupnice a schodnice. Zjednodušeně lze konstatovat, že stupnice přebírá horizontální síly a schodnice síly vertikální. U třmenového schodiště, jak bylo uvedeno výše, schodnice chybí. Pevnost je tedy závislá na spojích, které fixují schodnici ve vodorovné poloze a musí být schopny ji dostatečně zajistit proti svislému posuvu.
Podle konstrukce se dřevěná schodiště dělí na: schodnicová, třmenová, zavěšená, točitá a speciální. Jedním ze schodišť, která jsou v posledních letech velmi oblíbená, je schodiště třmenové (obr. 1, 2). Jedná se o schodiště s konstrukčně transparentní, moderní, odlehčenou konstrukcí. Odlehčenost konstrukce je dána vypuštěním podstupnice z konstrukce stupně.
Obr. 3: Osazení třmene
Obr. 2: Třmenové schodiště
Každý stupeň třmenového schodiště je pomocí dvou ocelových třmenů samostatně kotven do svislé nosné konstrukce nebo do dřevěné
Obr. 4: Osazení třmene
na svislou stěnu (v případě nenosné stavební konstrukce). Při použití schodnice ztrácí třmenové schodiště svoji lehkost a transparentnost a u svislé stěny se nabízí srovnání se schodnicovým typem dřevěného schodiště. Na druhé straně je každý stupeň zavěšen a ukotven na nosném madle, které je k tomu dimenzováno, pomocí táhel, tj. pomocí zábradelní výplně. Třmenová schodiště mohou nabývat různých půdorysných tvarů od přímého schodiště přes schodiště zatočené o 90 ° až po schodiště zatočené o 270 °.
Vlastnosti materiálu
Pevnost a tuhost třmenového schodiště je určující ve svislém směru. Ocelový třmen je osazen v gumovém pouzdře a je vetknutý do svislé stavební konstrukce, kde se kotví pomocí speciálního polyuretanového lepidla. Ve stupnici je z čela vyvrtán otvor, do kterého se třmen nasune. Třmen nemá vodorovné kotvení. Pevnost spoje je závislá na několika základních rozměrových faktorech a tloušťce stupnice, implicitně stanovené na 50 mm. Tato hodnota je odvozena z poznatků nabytých dlouholetým používáním stupnic a přebíráním zkušeností jednotlivých generací, nikoliv z normativních předpisů. Dalším ovlivňujícím faktorem jsou průměr ocelového třmenu, hloubka jeho zapuštění do stupnice a tloušťka materiálu, která zůstává nad i pod vyvrtaným otvorem pro třmen. Zpravidla je otvor pro třmen vyvrtán ve středu tloušťky materiálu.
Obr. 5: Tři základní směry ve dřevě
Pevnost spoje závisí rovněž na vlastnostech materiálu, tj. dřeva. Rozhodující je, jaký směr dřevních vláken (letokruhů) je v okolí vyvrtaného otvoru. Dřevo je anizotropní materiál a má tedy v každém směru jiné nebo alespoň pozměněné vlastnosti. Základní směry jsou podélný (L), tangenciální (T) a radiální (R), přičemž tangenciální a radiální směry jsou směry příčné (obr. 5). Pevnost dřeva v různých směrech závisí na několika různých činitelích. Některé mechanické vlastnosti vybraných materiálů jsou uvedeny v tabulce. Především souvisí s chemickým složením dřeva, dále pak s jeho submikroskopickou a mikroskopickou stavbou.
V rovině chemického složení je rozdíl v soudržnosti jednotlivých vláken dřeva dán uspořádáním základních stavebních elementů dřeva, tj. celulosy, hemicelulos a ligninu, a jejich vzájemnými chemickými vazbami.
V rovině mikroskopické dřevo podle původu dělíme na dřevo jehličnatých stromů a na dřevo listnatých stromů, které se dále rozděluje na kruhovitě pórovité a roztroušeně pórovité a jejich přechodové formy. Homogenita materiálu je ovlivněna zejména stavbou buněčných elementů.
Zjednodušeně lze konstatovat, že existují rozdílné funkce, které tyto elementy ve stromě plní.
Základní funkce jsou vodivá, zásobní a mechanická. V ideálním případě je z mechanického hlediska nejvýhodnější, aby byly elementy s těmito funkcemi zastoupeny u rostlého dřeva co nejrovnoměrněji.
Nehomogenita způsobuje v příčných směrech dřeva rozdílnost mechanických vlastností a právě na hranicích prvků s různými funkcemi dochází k nejčastějšímu poškození a následnému porušení materiálu.
Makroskopické prvky (okem viditelné), mezi které patří u jehličnatých dřev např. dřeňové paprsky, pryskyřičné kanálky, způsobují také nehomogenitu materiálů. V příčném směru v důsledku jejich přítomnosti dochází k rozdělení celistvosti jednotlivých letokruhů a může dojít k poškození materiálu, vzniku trhliny a následnému poškození konstrukce nevratnými deformacemi.
float=
Ostatní faktory ovlivňující pevnost spoje
Pevnost spoje ovlivňují okrajové podmínky zatěžované soustavy (schodiště), například doba působení zatížení. Schody jsou určeny k překonávání různých vertikálních úrovní, očekává se tedy, že budou zatěžovány krátkodobě působícím zatížením, které ovšem nemá stejné působiště ani hodnotu. Dalším ovlivňujícím činitelem je měnící se teplota a vlhkost. Dřevo jako přírodní materiál má schopnost přijímat vzdušnou vlhkost a reagovat na kolísaní teploty změnou mechanických vlastností. Rovněž půdorysný tvar schodiště je faktor, ovlivňující tuhost a soudržnost třmenového spoje. Půdorysný tvar může být od nejjednoduššího schodiště přímého až po schodiště půdorysně zatočené o 90–270 º. Je-li schodiště přímé, nastává problém s vodorovným kotvením a posuvem, protože ocelové třmeny jsou ve schodnici pouze nasunuty a je nutné, aby vodorovné kotvení převzalo nosné zábradlí a jeho výplň. V případě půdorysného zakřivení je vodorovná tuhost zajištěna zakřivením ramene minimálně o 90 º.
Každé atypické samonosné schodiště se nejprve složí nasucho a zjistí se, zdali všechny spoje do sebe zapadají. Může se stát, že jsou některé spojovací prvky vyrobeny s drobnými odchylkami od požadovaného směru. Tyto imperfekce způsobují v konečném celku tahové a tlakové účinky a vznikají tak momenty sil, kterým je nucena schodišťová sestava odolávat. Při součtu více silových účinků se pak může některý z prvků porušit z důvodu nedostatečného nadimenzování (nesprávného předpokladu zatížení). Součet jednotlivých silových účinků se zvyšuje s počtem spojů, které jsou na jednotlivém prvku vytvořeny. Proto je nejvíce náchylnou částí třmenového schodiště nosné madlo, na němž jsou vyvrtány otvory pro zábradelní výplně.
Třmenové schodiště a jeho části se vyrábějí jako lepená spárovka z nekonečného vlysu. Každou spárovku lze dle směru dřevních vláken rozdělit na radiální, poloradiální a tangenciální. Při použití spárovky na stupnici jsou u radiální spárovky letokruhy svisle, tedy kolmé na čelní plochu spárovky a u tangenciální vodorovně, rovnoběžné s čelní plochou. U poloradiální svírají úhel 45 º. Z výše popsaných poznatků o stavbě dřeva vyplývá, že třmenový spoj stupnice a ocelového třmenu má nižší pevnost v případě, je-li spoj proveden v tangenciální části vlysu spárovky, čemuž odpovídá i průměrná tahová pevnost dřeva v radiálním směru 5,3 MPa a v tangenciálním směru 3,5 MPa (Alabama University, Civil engineering technology).
Platný právní předpis či vyhláška pro jednotlivé typy spárovky na schodnice nebo jiný stavební výrobek zabudovaný do stavby neexistuje. Orientace dřevních vláken spárovek určuje pouze norma výroby eurohranolu na okna a dveře z důvodu odlupčivosti fládru u tangenciálního směru.
Faktory ovlivňující pevnost spoje lze rozdělit na materiálové charakteristiky a konstrukční faktory. Materiálové charakteristiky vyplývají z podstaty anisotropního materiálu a jejich vliv nelze u dřeva plně potlačit, pouze umenšit. Konstrukční faktory jsou ovlivnitelné zejména použitým technologickým postupem výroby a technickým vybavením, kde lze jejich nevýhody zcela eliminovat.
Literatura:
1) Požgaj, A. – Chovanec, D. – Kurjatko, S. – Babiak, M.: Štruktúra a vlastnosti dreva, Bratislava, Príroda, 1997, ISBN 80-07-00600-1.
2) Bodig, J. – Jayne, B., A.: Mechanics of wood and wood composite, Reinhold Company, London – Cincinnati – Toronto – London – Melbourne, ISBN 0-89464-477-6.
3) Vavrčík, H.: Anatomická stavba dřeva. Multimediální výukový program. http://wood.mendelu.cz.
Ing. Radek Pospíšil (*1978) je absolvent Fakulty lesnické a dřevařské na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě v Brně, se zaměřením na dřevostavby a dřevěné prvky staveb. V současné době působí na MZLU v Brně jako student postgraduálního programu.
