Nosná konštrukcia schodiska z brezového dreva

Úvod

Hlavným autorom tvaru schodiska je Ing. arch. Martin Kusý st. Nosná konštrukcia bola vyvíjaná spoluprácou autorov článku a ďalších spolupracovníkov, ktorých mená budú spomenuté v ďalšom texte. Základnou požiadavkou pri návrhu schodiska bola jeho štíhlosť. Konštrukcia mala byť subtílna, aby vznikol dojem „vznášajúcej“ sa konštrukcie. Výber brezového dreva pre tento účel sa ukázal ako optimálny z pohľadu estetiky a aj z hľadiska mechanických vlastností.

Obr. 1 – Pohľady na schody (zdroj: Jozef Mečiar)

Pri návrhu nosnej konštrukcie sa pracovalo s niekoľkými výpočtovými modelmi, ktoré boli navzájom konfrontované a porovnávané dovtedy, kým sa našla zhoda vo výsledkoch. Návrh prípojov jednotlivých elementov znamenal ďalšiu výzvu, keďže prierezy boli pomerne štíhle. Materiál brezového dreva má objemovú hmotnosť vysokú, a tá mala tiež vplyv na návrh správnych spojovacích prostriedkov. Už v tomto kroku vývoja bolo potrebné myslieť na proces výroby a montáže. Zaujímavosťou je, že síce základný materiál brezového dreva bol dovezený z Rakúska, výrobu a náročné opracovanie bolo realizované domácou firmou. S náročnými požiadavkami bezchybného vzhľadu s nábytkárskou presnosťou v kombinácii s pomerne veľkými a ťažkými elementmi, si poradili tiež domáci majstri. Súhrou takéhoto tímu vznikla jedinečná konštrukcia, ktorá bude vo výnimočnom priestore reprezentovať schopnosti ľudí našej krajiny.

Architektúra

Konštrukcia schodiska je umiestnená medzi dvoma objektmi a zabezpečuje ich vzájomné komunikačné prepojenie. Na jednej strane je objekt pôvodný s masívnymi stenami z plných pálených tehál. Protiľahlý objekt je nový železobetónový skelet. Medzi objektmi sú umiestnené dve konštrukcie schodísk nad sebou, ktorých konštrukcie sú veľmi podobné. Drevená konštrukcia zabezpečuje na jednej strane priame prepojenie dvoch protiľahlých objektov cez priamu podestu, na strane druhej prepája dve podlažia prostredníctvom schodov. Zámerom architektonického riešenia bolo navrhnúť hmotu schodiska tak, aby v danom priestore pôsobila čo najmenej hmotne, bola priehľadná a tak umožnila priehľady z interiéru na okolité stavby a priestory ako i opačne priehľady z exteriéru do vnútra interiéru. Konštrukcia schodiska pozostáva z dvoch hlavných schodníc, ktoré zároveň tvoria aj zábradlie. V blízkosti spodného okraja schodnice sa nachádzajú veľmi štíhle stupne schodiska. Zaujímavosť konštrukcie schodiska je v tom, že hlavné schodnice sú kotvené prostredníctvom drevených konzolových nosníkov do masívneho muriva pôvodného objektu a železobetónovej konštrukcie protiľahlého nového objektu.

Materiál

Brezové drevo je charakteristické svetlou farbou, ktorá svojím vzhľadom veľmi pripomína smrekové drevo. Mechanické vlastnosti sú ale výrazne odlišné a predurčujú jeho použitie pre väčšie rozpony alebo pre extrémne namáhania. Charakteristická pevnosť v ohybe a v tlaku v smere vláken sa pohybuje okolo 32 MPa, v ťahu 26 MPa, v tlaku kolmo na vlákna a v šmyku 4,5 MPa. Modul pružnosti v smere vláken je 15 000 MPa. Objemová hmotnosť brezového dreva je 600 kg/m3. Nevýhodou brezového dreva je jeho farebná a štrukturálna rôznorodosť. Ide o pomerne náročný materiál z hľadiska dizajnového zjednotenia a aj z hľadiska konštrukčných spojov a opracovania. Je to materiál veľmi kvalitný, ale zároveň veľmi nehomogénny. Obsahuje veľa štrukturálnych a rastových chýb, ktoré si vyžadujú mnoho opráv a opracovania. Možno práve táto nehomogenita dáva schodisku veľmi zaujímavý celkový vzhľad.

Statika

Návrh stavebno-konštrukčného riešenia schodiska v rámci realizačného projektu bol vypracovaný statickou kanceláriou ELTER constructions, s.r.o. Tento projekt tvoril základ pre podrobnejšie rozpracovanie a dielenskú dokumentáciu.

V počiatočnej fáze projektovania nosnej konštrukcie bolo potrebné zodpovedať otázky, za akých predpokladov bude možné takúto konštrukciu zrealizovať. Tak aby bola presne zachovaná predstava architekta, teda tvar, rozmery a celkový dojem. Zároveň dodržať všetky pravidlá pre medzné stavy, pre bezpečnosť a prevádzkyschopnosť. V neposlednom rade vymyslieť prípoje s ohľadom na vyššie uvedené požiadavky a zohľadniť aj možnosti výroby a montáže. Na tieto otázky a technické riešenia hľadali odpovede dve statické kancelárie: ELTER constructions s.r.o. a Kristián Sógel v spolupráci s BVK-PRO v Šamoríne. Statická kancelária BVK-PRO v Šamoríne prispela svojím softvérovým vybavením a umožnila vytvoriť statické a stavebné modely drevenej nosnej konštrukcie. Veľký pokrok zaznamenala Ing. Lea Bodon pri vypracovaní statických a konštrukčných modelov. Robili sa súbežne dva statické výpočty na nezávislých modeloch. Jeden výpočet bol vypracovaný kanceláriou ELTER constructions s.r.o. a druhý Kristiánom Sógelom. Vzniklo niekoľko iteračných výpočtov, schém a konštrukčných riešení. Konečné statické výpočty boli vypracované v softvéri AXIS-VM-X5. Prvý priestorový stavebný model drevenej konštrukcie bol pripravený v softvéri SEMA v kancelárii BVK-PRO. Mimoriadne veľa sa pracovalo na neviditeľných prípojoch drevenej konštrukcie. Tieto statické výpočty a konštrukčné riešenia vypracovával Kristián Sógel. Technické riešenia sa priebežne konzultovali s dodávateľom. Následne sa dohodnuté návrhy zapracovali do stavebným modelov. Spojovací materiál musel byť určený pre tvrdé, brezové drevo, ktoré nie je zatiaľ v slovenskej praxi bežným materiálom.

Samostatnú výzvu predstavovali hlavné schodnice. Najdlhšia schodnica má rozpätie okolo 9 m, výšku prierezu najviac 1,07 m a hrúbku prierezu iba 80 mm. Horný tlačený okraj nosných prvkov je stabilizovaný iba na koncoch a naviac sú namáhané aj vodorovnými účinkami pre zábradlia. Keďže ide o mimoriadne štíhle nosné prvky, statické výpočty boli vypracované aj v teórii II. rádu. Z pohľadu výroby bolo zaujímavé aj nadstavenie dlhej schodnice v mieste jej zalomenia a zabezpečenie tuhosti nielen v zvislej rovine, ale aj pre vodorovné účinky a stabilitu tlačeného horného okraja. V nadstavení boli použité dva oceľové plechy vlepené epoxidovým lepidlom.

Podobné rozmery prierezu majú aj hlavné konzoly, pričom ich vykonzolovanie je najviac 1,5 m. Kotvenie konzol do masívneho muriva bol navrhnutý spriahnutím drevenej konzoly s betónovým blokom votknutým do muriva. Spriahnutie dreva a betónu zabezpečovali šikmo orientované celozávitové skrutky, ktoré boli rozmiestnené po obvode prípoja.

Obr. 2 – Pohľady na schody (zdroj: Ing. Ladislav Tausinger)

Schodiskové stupne boli hrubé iba 60 mm pri rozpätí 1,2 m. Niektoré stupne boli dimenzované aj na podopretie medzipodest. Tieto stupne majú premenlivú výšku zo 60 mm na 80 mm, aby nebolo možné pozorovateľom zistiť, že ide o silnejší prvok ako ostatné stupne. Medzipodesty boli na tieto podperné stupne kotvené v prvom kroku pomocou vlepených závitových tyčí. Následne sa výrobca rozhodol pre celoplošne lepený spoj a dubové kolíky.

Kancelária ELTER construcitons mala za úlohu navrhnúť a vyriešiť kotvenia do železobetónových a murovaných stien a oceľových konštrukcií.

Výroba a montáž

Po zosúladení výsledkov statických výpočtov, konštrukčných riešení a celkovej architektúry, bolo potrebné zistiť, akým spôsobom sa bude konštrukcia, resp. jednotlivé diely vyrábať. Tento proces zastrešoval pán Jozef Mečiar a firma Technomol Build z Dolného Kubína. Výroba sa pri každej operácii stretala s náročnými úlohami. Veľké rozmery prvkov, ktoré sa nezmestili nielen do CNC zariadenia, ale ani do priestoru, kde bol CNC stroj postavený. Pritom požiadavky na presnosť boli veľmi veľké. Opracovanie sa realizovalo na niekoľko krokov a z rôznych strán elementov a v rôznych fázach výroby prvkov. Nemalé ťažkosti spôsobovali isté detaily, napríklad madlá, ktorých frézovanie si vyžadovalo špeciálne zariadenia. Ďalšou zaujímavosťou bolo, že nielen v Rakúsku, ale aj na Slovensku, je možné nájsť také CNC zariadenie, ktorým je možné vytvoriť náročné frézovania. V prospech domáceho výrobcu hovorilo aj to, že pre náročné frézovania bola potrebná niekoľkonásobná manipulácia s ťažkými elementmi. Zahraničný výrobcovia sa väčšinou orientujú na rýchlu a ekonomicky efektívnu výrobu. Pre takýchto producentov je výroba podobnej konštrukcie nezaujímavá, resp. ekonomicky veľmi neefektívna. A možno práve jednotvárna zahraničná priemyselná výroba ponúkla príležitosť domácemu výrobcovi drevených konštrukcií. Pri procese montáže sa objavili ďalšie komplikačné faktory, ako napríklad stiesnený priestor medzi objektmi, pomerne veľké a ťažké dielce konštrukcie. Veľká vďaka patrí aj koordinátorom stavebných prác a hlavnému stavbyvedúcemu Ing. Štefanovi Baksovi z firmy HORNEX, ktorý sledoval aj vývoj projektu už od začiatku našej spolupráce. V rámci realizácie kancelária ELTER constructions s.r.o. vykonávala autorský dozor a riešila otázky, ktoré vznikali počas realizácie schodiska. Išlo najmä o kotvenia do stien, kde bola situácia odlišná od predpokladov v projekte.

Obr. 3 – Pohľady na detaily schodov (zdroj: Jozef Mečiar)

Záver

Vzniknuté schodisko možno považovať za výnimočné architektonické a inžinierske dielo zároveň. Jedinečný tvar, materiál a konštrukčné riešenia sú len jednou stránkou. Na strane druhej treba vyzdvihnúť výnimočných ľudí, ich schopnosti a vzájomnú spoluprácu, ktorá napomohla vzniku tejto reprezentatívnej konštrukcie.

Článek byl vydán ve spolupráci se slovenským odborným časopisem STRUCTURES

Literatúra a použité zdroje

STN EN 1995-1-1 + A1. Navrhovanie drevených konštrukcií. Časť 1-1: Všeobecné pravidlá a pravidlá pre budovy. SÚTN, 2008
STN EN 1990. Eurokód. Zásady navrhovania konštrukcií. SÚTN, 2009
HASSLACHER Norica Timber: Glued Laminated Timber Birch. Dostupné na www.hasslacher.com, 2020
ROTHOBLAAS: Screws and Connectors for Wood. Dostupné na www.rothoblaas.com, 2020