Prefabrykacja konstrukcji z litego drewna
– Pierwsze dwie dekady XXI wieku to renesans zastosowania drewna w budownictwie – wyjaśnia dr inż. Wojciech Sikora Prezes Zarządu firmy SAWE, specjalizującej się w prefabrykacji wiązarów i konstrukcji drewnianych. – Architekci, poszukując harmonizacji z otoczeniem i klimatem, zwrócili uwagę na naturalne materiały. Takim surowcem jest drewno, które dodatkowo charakteryzuje się korzystnym bilansem energetycznym1. Jak podaje Żurawski2 konstrukcja z drewna w całym procesie wznoszenia obiektu budowlanego jest dwukrotnie mniej energochłonna od konstrukcji stalowej.
Powszechne obecnie stosowanie konstrukcji drewnianych w obiektach budowlanych możliwe jest między innymi dzięki technologiom ich prefabrykacji.
– Są to przede wszystkim wiązary kratownicowe3 – tłumaczy właściciel firmy. – Wiązary wykonane z litego drewna łączonego za pomocą płytek kolczastych mają zastosowanie w takich obiektach jak sale sportowe, obiekty handlowe, obiekty rolnicze, hotele i restauracje, budownictwo mieszkaniowe i użyteczności publicznej.
Konstrukcje dźwigarów dachowych
Jak doszło do powstania znanych nam w obecnej formie wiązarów prefabrykowanych drewnianych?
Tradycyjne połączenia ciesielskie na wręby, czopy, „jaskółcze ogony” i inne nie pozwalają na wykorzystanie w pełni możliwości drewna jako materiału konstrukcyjnego.
– Przede wszystkim ograniczają rozpiętość klasycznych, drewnianych więźb dachowych. W przypadku rozstawów ścian nośnych, około 12 m, np. w kościołach wykonywano dachy w ustroju podwójnego wieszara – mówi Wojciech Sikora.
1. Układ dwuwieszarowy w kościele św. Zofii w Bobowej wzmocniony wiązarami Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Rozwiązaniem dla dużych rozpiętości były tzw. bindry, czyli kratownice zbijane z desek, znane już w XVI wieku.
– W roku 1570 Andrea Palladio w swoim dziele I quattro libri dell’architettura (Cztery księgi o architekturze)4 przedstawił ilustrację mostu drewnianego kratownicowego o rozpiętości 30 m nad rzeką Cismone, w północno-wschodnich Włoszech, który był wykonany około roku 1550 – informuje Wojciech Sikora.
3. Ilustracja mostu drewnianego kratownicowego o rozpiętości 30 m nad rzeką Cismone Źródło: Palladio A. I quattro libri dell'architettura
Wzorowane na rozwiązaniach Palladio kratownice były wykorzystywane przez stulecia5,6. Do dzisiaj jeszcze w wielu projektach można spotkać tego typu rozwiązania. W projekcie z 2016 roku zaprojektowany jest wiązar deskowy, pomimo że już nie wykonuje się tego typy wiązarów. Zastępujemy je kratownicami z łącznikami z płytek kolczastych.
4. Fragment projektu konstrukcyjnego z 2016 roku wiązara deskowego Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Łączniki z kolcami od 1952 roku
Łącznikami w wiązarach drewnianych prefabrykowanych są płytki kolczaste. Kiedy pojawiły się one na rynku?
– W 1952 roku w Stanach Zjednoczonych zaczęto stosować pierwsze łączniki stalowe z kolcami – mówi Wojciech Sikora. – Technologia ta bardzo szybko rozpowszechniła się w Ameryce Północnej, a następnie w Europie i na całym świecie.
W Europie najwięcej dachów z zastosowaniem łączników stalowych z kolcami wykonuje się w krajach skandynawskich, w Anglii, we Francji i w Czechach. Pierwszy zakład prefabrykacji powstał w Polsce w 1989 roku. Obecnie jest około ośmiu dużych producentów wprasowujących rocznie ponad 50 ton płytek kolczastych każdy, wśród nich znajduje się firma SAWE.
– Wykorzystanie płytek kolczastych w połączeniach litego drewna pozwoliło na szersze zastosowanie drewnianych konstrukcji – wyjaśnia Wojciech Sikora. – Płytka kolczasta zapewnia korzystne, równomiernie przejmowanie obciążenia poprzez łącznik z jednego elementu i przeniesienie go na stykający się z nim element drugi.
Grubość i wielkość płytki łączącej w wiązarach drewnianych prefabrykowanych, a co za tym idzie ilość kolców (odmiany gwoździ), ich długość i przekrój są podstawowymi danymi do obliczeń konstrukcyjnych połączeń. Nie zawsze projektanci rozumieją ideę takich połączeń. Przykładem błędów w projektowaniu może być rozwiązanie, w którym „docina się” płytki do kształtu węzła, m.in. także w połączeniu krzyżowym prętów.
5. Błędny projekt wiązara kratowego, w którym przewidziano docinanie płytek kolczastych Źródło: SAWE Wojciech Sikora
– Obecnie standardowo produkowane wiązary na płytki kolczaste mogą mieć rozpiętość do 30 m – całkowicie naturalnie, bez podpór pośrednich – mówi Wojciech Sikora. – Z kolei w przypadku dachu łukowego może to być nawet do 35 m. Nie ma również ograniczeń kąta nachylenia dachu oraz stworzenia przestrzeni w poddaszu. Przykładami mogą być: dach mansardowy i dach z poddaszem użytkowym. W obiektach magazynowych, inwentarskich i innych stosuje się wiązary nożycowe.
6. Hala ramowa 23x 56 m Lalin Źródło: SAWE Wojciech Sikora
7. Konstrukcja dachu 22 m z suwnicą Źródło: SAWE Wojciech Sikora
8. Dach mansardowy Kraków Źródło: SAWE Wojciech Sikora
10. Dach z wiązarów z poddaszem użytkowym Źródło: SAWE Wojciech Sikora
10. Wiązar nożycowy 18 m Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Projektowanie wiązarów kratownicowych
Podstawową cechą oraz ogromną zaletą wiązarów drewnianych prefabrykowanych są prawidłowo wykonane obliczenia konstrukcyjne.
– Do obliczeń konstrukcji kratownic z drewna litego łączonego za pomocą płytek kolczastych wykorzystuje się specjalistyczne programy komputerowe np. RoofCon/TrusCon – Pamir dla płytek MITEK – mówi Wojciech Sikora. – Obliczenia są wykonywane zgodnie z normami: PN-EN 1995-1-1:20107 ,PN-EN 1991-1-1:20048 PN-EN 1991-1-3:20059, PN-EN 1991-1-4:200810 wraz z załącznikami krajowymi. W procesie projektowania dynamiczne możemy przesuwać, usuwać, dodawać wiązary, kreować przestrzeń poddasza. Po każdej zmianie program aktualizuje obliczenia, wskazując jakie jest wytężenie w pasach i krzyżulcach, gdzie jest np. przekroczone wytężenie, ugięcie, czy za mała podpora. Automatycznie optymalizując dobiera przekrój tarcicy, rodzaj i wymiar oraz położenie płytki kolczastej. Rolą konstruktora jest analiza konstrukcji. Wygenerowane są obliczenia i wykresy w każdej kombinacji obciążeń oraz niezbędne informacje, takie jak jej rozmiary, klasa wytrzymałości tarcicy, rodzaj oraz rozmiar i położenie płytek kolczastych.
14. Siły osiowe kombinacja stałe + śnieg Źródło: opracowanie własne
Wiązary drewniane prefabrykowane – produkcja
Cały proces produkcji wiązarów drewnianych prefabrykowanych w firmie SAWE jest zgodny z normą PN EN 14250: 201011.
Po projektowaniu następuje czas na produkcję. Otrzymane z programu rysunki produkcyjne są wysyłane w formie plików CNC na piłę, na prasę oraz do projekcji laserowej.
15. Fragment listy cięć SAWE Źródło: opracowanie własne
– Uprzednio docięte deski są poddawane impregnacji zanurzeniowej w wannach przeciw: grzybom, owadom i biokorozji – mówi Wojciech Sikora. – Kolejnym etapem produkcji jest łączenie dociętych pasów i krzyżulców płytkami kolczastymi.
Najczęściej stosuje się płytki kolczaste z blachy ocynkowanej:
• GNA-20 grubość blachy 1 mm długość kolca 8 mm,
• T-150 grubość blachy 1,5 mm długość kolca 15 mm,
• M-14 grubość blachy 2 mm długość kolca 20 mm.
Do wprasowywania używamy pras o nacisku 25-50 ton. Są to prasy typu „C” i prasy stołowe. Stanowiska prasowania na prasach typu „C” składają się ze specjalnych przestawnych stolików, które są mocowane do stalowej podłogi za pomocą magnesów. Stoliki układa się do kształtu wiązara i pod węzłami. Zamocowane na nich ograniczniki stabilizują położenie elementów wiązara drewnianego prefabrykowanego i pozwalają na zachowanie powtarzalności wykonania kolejnych egzemplarzy.
16. Płytki kolczaste MITEK Fot. W Sikora Źródło: SAWE Wojciech Sikora
17. Prasa typ „C” Źródło: SAWE Wojciech Sikora
– Pracujemy również na prasach stołowych, których stoły są zamocowane na stałe do posadzki – mówi Wojciech Sikora. – Układa się na nich elementy wiązara drewnianego prefabrykowanego. Są one stabilizowane przez ograniczniki, które ustawia się ręcznie lub automatycznie. Przesuwający się most ze stemplem wprasowuje płytki. Cały ten proces może być sterowany ręcznie lub wykonywany automatycznie. W tym przypadku po wprowadzeniu plików z położeniem płytek stempel wybiera sobie optymalny sposób wprasowywania.
18. Prasa stołowa o nacisku 50 ton Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Projekcja laserowa na stołach roboczych wyświetla kształt wiązara z położeniem krzyżulców i płytek kolczastych.
Na rysunkach warsztatowych wygenerowanych przez program pokazane są: położenia elementów (pasów i krzyżulców), ich oznaczenie, położenie łączników, typ oraz rozmiar łącznika.
19. Rysunek położenia płytki kolczastej Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Tak przygotowane konstrukcje są transportowane na budowę. Dachy o dużej rozpiętości wykonywane są w kilku częściach i zespalane na budowie za pomocą płytek połówkowych lub płytkami kolczastymi za pomocą pras mobilnych.
20. Transport wiązarów Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Szybki montaż
Montaż wiązarów drewnianych prefabrykowanych musi przebiegać zgodnie z wytycznymi i rysunkami montażowymi.
– Dla usztywnienia całej konstrukcji dachu montowane są wiązary zespolone stężeniami kratowymi – wyjaśnia właściciel firmy. – Wiązary o dużej rozpiętości montuje się za pomocą specjalnych trawersów do ich podnoszenia lub dwóch dźwigów. Ma to zasadnicze znaczenie ze względu na wiotkość wiązarów w kierunku poprzecznym. Podczas montażu przybija się stężenia stałe i tymczasowe, które stabilizują całą konstrukcję. Czas montażu jest krótki. Ważnym elementem mającym wpływ na jakość montażu jest dokładność wykonania wieńca lub ułożenia murłaty (wiązarów nie można „podcinać”). Powtarzalność wiązarów, ich dokładność wykonania ułatwia kolejne prace – przybijanie łat, wykonanie pokrycia.
21. Montaż hali ramowej za pomocą dwóch dźwigów Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Doświadczenie, profesjonalizm, nowoczesność
Historia firmy SAWE, produkującej drewniane konstrukcje oraz wiązary drewniane prefabrykowane sięga 1983 roku. Na początku zakład stolarski produkował materiały wykończeniowe dla budownictwa, ale już w 1991 roku SAWE wybudowało pierwszy dom szkieletowy w technologii popularnie zwanej „kanadyjską”.
5.8. Pierwszy dom szkieletowy w Rzeszowie 1991 rok Źródło: SAWE Wojciech Sikora
– Skandynawska technologia budownictwa drewnianego pojawiła się w latach 90. – wspomina Wojciech Sikora. – Różniła się ona od tej stosowanej w Ameryce Północnej, między innymi rozwiązaniem konstrukcji ścian szkieletowych. We wszystkich ścianach nośnych pod oczepem znajduje się deska nadprożowa. Konstrukcją dachu wykonana jest z wiązarów z drewna litego łączonego za pomocą płytek kolczastych.
5.9. Montaż prefabrykowanych domów w technologii szwedzkiej 1997 rok. Źródło: SAWE Wojciech Sikora
Od tego czasu firma SAWE nieustanie się rozwija. Obecnie oferuje również prefabrykowane ściany szkieletowe, konstrukcje drewniane na: hale o dużych rozpiętościach, domy mieszkalne, a także budynki poddawane renowacjom. Specjalistyczna wiedza oraz zaawansowana technicznie produkcja gwarantują bezpieczne konstrukcje najwyższej jakości. SAWE jest właścicielem trzech patentów. Współpraca z Akademią Górniczo- Hutniczą zaowocowała opracowaniem technologii wykonywania wiązarów o zwiększonej odporności ogniowej.
– Nasza firma zlokalizowana jest na podkarpaciu, ale działamy także na terenie województwa lubelskiego, małopolskiego, podlaskiego, świętokrzyskiego, jak również w całej Polsce – mówi Wojciech Sikora.
----
1Borjeesson P. Gustavson L. Greenhouse gas balances in building construction: wood versus concrete from life-cycle and forest land-use perspectives, Energy Policy 2000 2Żurawski J. Kilka uwag o projektowaniu zrównoważonym, Zawód Architekt Dodatek Specjalny 03/2010 Zawód Architekt Warszawa 2010 3Sikora W. Konstrukcje drewniane –nieograniczone możliwości, Nowoczesne Hale 4/2012, Katowice 2012 4Palladio, Andrea I quattro libri dell'architettura 1570 www.liberliber.it 5Brol J. Kubica J. Stan przed awaryjny przekrycia dachowego z drewnianymi dźwigarami Awarie Budowlane, Katedra Inżynierii Budowlanej, Politechnika Śląska 2017 6Mączyński D. Drewniana, historyczna konstrukcja dachowa – ważnym źródłem informacji naukowej. Lubuskie Materiały Konserwatorskie, Zielona Góra 2017 7PN-EN 1995-1-1 Projektowanie konstrukcji drewnianych Część 1-1: Postanowienia ogólne Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków, PKN 2010 8PN-EN 1995-1-1 Projektowanie konstrukcji drewnianych Część 1-1: Postanowienia ogólne Reguły ogólne i reguły dotyczące budynków, PKN 2010 9PN-EN 1991-3 Eurokod 1 Oddziaływania na konstrukcje Część 1-3: Oddziaływania ogólne Obciążenie śniegiem, PKN 2015 10PN-EN 1991-1-4 Oddziaływania na konstrukcje, Część 1-4: Oddziaływania ogólne -- Oddziaływania wiatru, PKN 2010 11PN-EN 14250 Konstrukcje drewniane. Wymagania produkcyjne dotyczące prefabrykowanych elementów konstrukcyjnych łączonych płytkami kolczastymi. PKN 2010
