Dřevo a mostní konstrukce

• Foto

Dřevo je velmi hojně užíváno v USA a Kanadě, ve skandinávských státech, v Japonsku, v Rusku a také na Novém Zélandě. Dobrý přehled o technologickém vývoji, o způsobech navrhování dřevěných konstrukcí a o nových význačných konstrukcích budov a mostů ze dřeva lze  získat na světových dřevařských kongresech (World Congress Timber Engineering), které se pořádají každé dva roky v různých místech světa [2], [3]. V letošním roce byl pořádán již desátý kongres v japonském Miyazaki a další kongres bude v italském Trentu v roce 2010.

V posledních letech došlo k silnému rozvoji dřevěných konstrukcí. Byly vyvinuty nové spojovací prostředky, nové technologické postupy pro zpracování dřeva a zlepšování jeho mechanických vlastností. Rovněž jsou používány hybridní konstrukce, kdy jsou kombinovány zejména dřevěné lepené profily s betonem nebo s ocelí. Stykování dřevěných prvků a jejich přípoje jsou kritickými místy s vysokou koncentrací sil a zde jsou využívány s výhodou ocelové prvky. Stále je třeba respektovat biologickou podstatu dřeva a je důležité konstrukce chránit proti možnosti degradace způsobené hmyzem a vlhkostí.

MATERIÁLOVÉ VLASTNOSTI DŘEVA
Dřevo je biologický materiál, a proto podléhá vlivům prostředí a také biologickým škůdcům. Vliv vlhkosti na jeho materiálové harakteristiky, zejména na pevnost a modul pružnosti, je dominantní a dřevo musí být proti těmto vlivům důsledně chráněno. Ochrana proti požáru je rovněž důležitá, ale je třeba upozornit na fakt, že proti účinkům teploty při požáru odolává dřevěná konstrukce déle než konstrukce ocelové. Proti nepříznivým vlivům vlhkosti a proti vzniku a šíření požáru je v první řadě důležitá tzv. pasivní ochrana, což je způsob provedení konstrukce a jejích detailů tak, aby nepříznivým vlivům bránily. Konstrukční požadavky zaměřené na ochranu proti vlhkosti (větrání, proudění vzduchu) a současně mající omezit šíření požáru (tj. omezit volné proudění a šíření plamenů, nutnost rozdělení konstrukce) jsou mnohdy protichůdné.

Vzhledem k tomu, že vliv atmosférických srážek a vzdušné vlhkosti, stejně jako nebezpečí napadení biologickými škůdci, jsou u dřevěných mostů trvalé, je nezbytné tyto konstrukce pečlivě chránit. Dřevo na mostních konstrukcích chráníme proti vlhkosti a biologické korozi nátěrovými systémy nebo různými kryty a zejména vhodným řešením detailů umožňujících odvod vody a osychání dřeva, které navlhlo účinky deště nebo sněhu. Velký počet mostů z dřívější doby je chráněn proti účinkům deště a sněhu zastřešením mostu. Nové mosty, zejména lávky pro pěší, tento způsob rovněž využívají. Navrhování dřevěných mostů je třeba provádět od 1. 7. 2008 podle evropské normy [1], stejně jako navrhování dřevěných konstrukcí pozemních staveb je třeba provádět podle EN 1995-1-1 (zavedena jako ČSN EN 1995-1-1 (73 1701) Eurokód 5 – Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 1-1: Obecná pravidla – Společná pravidla a pravidla pro pozemní stavby). Národní norma ČSN 73 1701 a související normy ztratily tímto datem svoji platnost. Tato skutečnost pravděpodobně nepříjemně zapůsobila na velkou část stavebních inženýrů pracujících v oboru dřevěných konstrukcí vesměs podle národních norem.

ČSN EN 1995-2 se používá společně s ČSN EN 1990, ČSN EN 1991, ČSN EN 1995 a ČSN EN 1998. Současné evropské normy jsou proti dřívější národní normě důsledně založeny na metodice mezních stavů. Součinitele spolehlivosti materiálů jsou uvedeny v tabulce 1.

Současná sestava evropských norem ČSN EN pro navrhování dřevěných konstrukcí je v naší republice ještě zatížena některými nepraktickými postupy pro stanovení charakteristických hodnot pro jednotlivé třídy pevnosti. Nejprve je třeba v normě ČSN 73 2824- 1 (identický překlad německé normy DIN 4047-1:2003) nalézt na str. 2 převodník tříd dle ČSN 49 1531-1:1998 na třídy podle ČSN 73 2824-1 (viz tabulka 2). Potřebné materiálové charakteristiky nalezne poté projektant v normě ČSN EN 338. Tabulka 3 uvádí materiálové vlastnosti dřeva potřebné pro navrhování. Vzhledem k dále probíhajícím revizím a úpravám norem by bylo vhodné uvedenou krkolomnost ve vyhledávání základních návrhových parametrů odstranit a přemístit např. do národní přílohy eurokódu, obdobně jako jsou uvedena klimatická zatížení sněhem a větrem v národních přílohách příslušných norem pro zatížení. Dřevo používané na dřevěné stavby a také na dřevěné mostní konstrukce je dáno obvykle možnostmi a zdroji dřeva v každé jednotlivé zemi. Vzhledem k tomu se můžeme setkat v jiných zemích se dřevem, které pro nás vypadá poměrně exoticky. Na mosty je vhodné použití dřeva přirozeně odolného proti vlhkosti a biologickým škůdcům. Obvykle jsou to dřeva obsahující větší množství silic a pryskyřic. V českých zemích je z uvedeného hlediska vhodný modřín a borovice. Velmi často se ve světě používá dřevo označované jako cedr. Je třeba si uvědomit, že cedr (z botanické klasifi kace Cedrus atlantica nebo Cedrus deodara či Cedrus libani) byl dříve i na středomořském pobřeží zcela vykácen pro potřeby stavby lodí. V Japonsku je nejrozšířenější rychle rostoucí Cryptomeria japonica, tzv. sugi, které se říká japonský cedr. V Severní Americe (USA, Kanada) je to tzv. červený, žlutý nebo bílý cedr, což jsou stromy jako kanadský jedlovec, zerav nebo thuje či různé cypřiše. V Rusku a na Sibiři je jménem kedr (cedr) označována borovice limba. Odolnost všech těchto druhů proti napadení hmyzem, ev. proti napadení plísněmi a hnilobou, je velmi dobrá, vlastnosti potřebné k přenosu sil, tj. pevnost a modul pružnosti, jsou velmi různé podle toho, jaká dřevina se pod názvem cedr skrývá. Vždy je třeba provést materiálové zkoušky pro příslušnou dřevinu. Japonský cedr sugi má dřevo velmi měkké a nemá příliš vysokou pevnost. Z toho důvodu se v Japonsku velmi rozvíjí zvyšování pevnosti dřeva lisováním a dosažené výsledky již umožňují praktické použití. Tato technologie vychází ze skutečnosti, že pevnost dřeva je úměrná jeho specifické hmotnosti. Na této vlastnosti dřeva je založena formulace vztahů v evropské normě ČSN EN 1995-1-1 pro navrhování dřevěných konstrukcí.

HLAVNÍ STATICKÉ KONCEPCE DŘEVĚNÝCH MOSTŮ
Mostní dřevěné konstrukce z dřívější doby jsou obvykle uchovávány jako technické historické památky, ale mnohdy jsou stále funkční. Dřívější mosty byly převážně konstruovány z rostlého dřeva, obvykle z klád. První takové konstrukce používané pro železnici byly např. v USA. Připomínají mohutné lešení z klád, které vyplňovalo celé přemosťované údolí. Zavětrování bylo řešeno zkříženými pruty v některých polích (obr. 1). Můžeme hovořit také o bárkách, které přemostily i velká rozpětí. S vývojem stále silnějších a těžších vlaků nebylo možné a vhodné typ bárkových mostů používat. Jako staticky nejvhodnější dřevěné konstrukce na překlenutí větších rozpětí jsou obloukové konstrukce, a to buď dvoukloubové, nebo trojkloubové. Obloukové dřevěné mosty byly také používány pro železniční mosty.

Na menší a střední rozpětí byly používány konstrukce vzpěradlové nebo věšadlové, rozpětí se pohybují až do cca třiceti metrů. Pro konstrukce silničních mostů nebo lávek pro pěší se používaly také konstrukce příhradové trámové, kde diagonály byly obvykle ze křížených trámů. Statický model pro výpočet takové konstrukce vyžaduje zahrnutí excentricit v přípojích mezipásových prutů k pásům do geometrie modelu. Rovněž je třeba modelovat pásy jako ohybově tuhé pruty a mezipásové pruty jako osově namáhané a připojené kloubově k pásům. Konstrukce z dřívější doby byly počítány ručně (pokud vůbec byly počítány) nebo byly řešeny grafickými metodami rozkladu sil, a tak přepočet pomocí výpočetních programů na věrnějších modelech může přinést i nepříjemná překvapení, zejména při posudku přípojů prutů.

Od cca osmdesátých let minulého století jsou časté obloukové konstrukce z lepeného dřeva (obr. 2). Používají se dvoukloubové nebo trojkloubové konstrukce. Velmi časté je používání konstrukcí hybridních, kdy je mostovka navržena jako spřažená dřevobetonová konstrukce (trámová nebo desková) (obr. 2, 8). Také ocelová ortotropní deska může být použita na konstrukci mostovky (obr. 7).

Spoje prvků uvedených konstrukcí jsou nejčastěji řešeny pomocí ocelových prvků, což umožňuje přenos značně velkých sil různých směrů a eliminuje se tak nevhodné namáhání dřeva, zejména namáhání tlakem kolmo k vláknům. Stykování a zesilování dřevěných prvků pomocí vlepených závitových ocelových tyčí je technologií zkoumanou již několik desetiletí s dobrými výsledky. Tuto technologii lze používat na různé prostorové konstrukce a rámové konstrukce a rovněž v dřevěných mostních konstrukcích nebo při jejich rekonstrukcích najde své dobré uplatnění. Na Stavební fakultě ČVUT v Praze byla dokončena jedna etapa výzkumu chování rámů s těmito styky [5] a rovněž byla zpracována metodika použitelná pro posuzování ocelových konstrukcí s polotuhými styky [6]. Tato metodika je použitelná i pro konstrukce dřevěné se styky s vlepovanými tyčemi a může být uplatněna při řešení dřevěných mostů.

PŘÍKLADY NĚKTERÝCH DŘEVĚNÝCH MOSTŮ RŮZNÝCH STATICKÝCH KONCEPCÍ
Při osídlování území Severní Ameriky přistěhovalci z Evropy hrála velkou roli železnice a při její výstavbě byly stavěny železniční mosty ze dřeva. Konstrukce byly prováděny vzhledem k době vzniku z rostlého řeziva a převážně z kulatiny omezené délky. Konstrukce byla vytvářena jako bárkový systém s diagonálním zavětrováním. Na obrázku 1 je železniční most uvedeného typu, který byl v plném provozu ještě v roce 1996. Na obrázku 3 je krytý most z Pensylvánie v USA, který je v provozu již od roku 1830. Na obrázku 2 jsou dvě moderní mostní konstrukce z Jižní Dakoty, které byly vybudovány v devadesátých letech minulého století. Trojkloubový lepený dřevěný oblouk slouží železnici a spřažený dřevobetonový lepený  trámový most je určen pro silniční dopravu. Tyto konstrukce jsou již moderního typu, který se používá i v současné době. Rovněž v českých zemích jsou stále ještě funkční dřevěné mosty nebo mosty s některými dřevěnými částmi. Obvykle jsou to silniční mosty navržené a používané na silnicích s menším dopravním zatížením nebo jsou to lávky pro pěší. Můžeme jmenovat např. silniční zavěšený most s dřevěnou mostovkou přes Lužnici na rozpětí 90 m u Stádlce, který byl přestěhován z původní lokality na Vltavě. Dále jsou zde kryté dřevěné mosty s příhradovou konstrukcí nebo mosty konstruované jako vzpěradla či věšadla. Zajímavý je např. příhradový most se sedlovou střechou přes Svratku u obce Červín na rozpětí cca 35 m z roku 1718, dále most u Švařce – rovněž přes Svratku a silniční most působící jako věšadlo na rozpětí 24 m v Bystré nad Jizerou. Většina těchto mostů je zachována jako historická technická památka (obr. 4, obr. 5, obr. 6). Velký rozmach ve výstavbě mostů ze dřeva přinesla osmdesátá léta minulého století a nyní jsou předpoklady pro jejich stále větší použití. Vliv na tento rozmach má stoupající cena ocelových konstrukcí a rovněž technologický pokrok ve zpracování dřeva. Nové konstrukce jsou vesměs z lepeného řeziva, což zajišťuje vyšší návrhové pevnosti materiálu, poněkud vyšší protipožární odolnost a možnost větších rozpětí konstrukcí. Běžná rozpětí obloukových silničních mostů jsou cca do čtyřiceti metrů rozpětí oblouku. Lávky pro pěší jsou v nynější době předmětem tvůrčího zájmu architektů, mnohdy i proti duchu působících sil v konstrukci. V současnosti jsou železniční mosty většího rozpětí budovány jen výjimečně. Možné použití pro železniční mosty trámové je pro menší rozpětí do cca deseti metrů. Dálniční nebo silniční mosty jsou budovány častěji, jsou velmi často navrhovány jako hybridní, kombinované např. s ocelovou ortotropní mostovkou. Známý je japonský dálniční most v prefektuře Miyazaki z počátku tohoto tisíciletí (obr. 7). Dřevěný ohybově tuhý podpůrný rám z lepeného dřeva finské výroby je vyztužen kloubově připojeným vzpěradlem s ocelovými kloubovými styky. Mostovka je řešena jako ocelová ortotropní deska. Na obrázku 8 je dálniční japonský dvoukloubový most s lepenou mostovkou z roku 1997.

ZÁVĚR
Navrhování dřevěných mostních konstrukcí je v současnosti perspektivní oblastí. Vhodné je zejména použití dřeva na silniční mosty nebo mosty pro pěší nebo jejich kombinace. Rozpětí silničních mostů i pro velká dopravní zatížení je možné do cca čtyřiceti metrů rozpětí. Na železniční mosty je použití vhodné spíš pro lokální trati s menším zatížením a rozpětími. Dřevěné mosty nabízejí staticky a esteticky hodnotné řešení zejména v oblastech, kde je kladen důraz na soulad s okolní přírodou. Hospodárnost dřevěných konstrukcí je rovněž zajímavá vzhledem ke stále rostoucím cenám oceli, což způsobuje nárůst ceny ocelových a rovněž železobetonových mostů. Evropské normy dávají kvalitní podklad pro posuzování a navrhování konstrukcí s využitím řady nových materiálů a technologických postupů.

Tento článek vznikl s podporu výzkumného záměru VZ3 CEZ MSMT 6840770003 Rozvoj algoritmů počítačových simulací a jejich aplikací v inženýrství.

LITERATURA:
[1] Eurokód 5: ČSN EN 1995-2 Navrhování dřevěných konstrukcí – Část 2: Mosty, CNI Praha, 2006
[2] Sborník konference IABSE Conference Innovative Wooden Structures and Bridges Lahti, Finland, August 29-31, 2001
[3] Sborník konference WCTE2006_Conference Proceedings [CD-ROM], USA Portland, August 2006
[4] Sborník konference WCTE2008_Conference Proceedings [CD-ROM], Japan Miyazaki, August 2008
[5] Vašek, M.: Semi rigid Timber Frame and Space Structure Connections by Glued-in Rods, WCTE2008_Conference Proceedings [CD-ROM], vol. 1, s. 207, Japan Miyazaki 2008
[6] Christopher, J., Vašek, M., Bjorhovde, J. R.: Ocelové konstrukce s polotuhými styčníky podle ČSN EN 1993-1-1 a ČSN EN 1993-1-8, pp. 1–29, CD,
DOST – ČKAIT, 2007

The design of timber bridges is today very competitive field. The use of timber has advantages especially for the road or pedestrian bridges or for the combined transportation. The span of road bridges even for ralatively high traffic loads is reasonable up to about 40 m. The timber for the railway bridges should be effectively used mainly for the local rails with smaller loading and spans. Today state opf the art of the timber bridge enginneering and state of corresponding rules at European community is described in the european code for the design of timber bridges [1].

Autor

• (red)