Konstrukcje łukowe z drewna klejonego warstwowo

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono jedno z wielu zastosowań konstrukcyjnego drewna klejonego warstwowo – lekkie konstrukcje w postaci łukowych zadaszeń kortów tenisowych pokrytych membraną PCV. Drewno to najbardziej naturalny materiał budowlany, w pełni odnawialny surowiec, pochłaniający niskie ilości energii przy produkcji elementów pochodnych oraz łatwo poddający się recyklingowi. Z drugiej strony sport i zdrowy tryb życia. Idealne połączenie. Nowoczesne sposoby produkcji i obróbki drewna klejonego pozwalają kształtować praktycznie nieograniczone formy architektoniczne, co umożliwia ich stosowanie we wszelkich obiektach sportowych.

ABSTRACT

The article presents one of many applications of structural glued laminated timber, that is light structures in the form of arched roofs of tennis courts covered with a PVC membrane. Wood is the most natural building material that is fully renewable, uses low amounts of energy when producing derivatives, as well as is easily recyclable. There’s also the issue of sport and a healthy lifestyle. Modern methods of producing and processing glued laminated timber make it possible to shape various architectural forms, which allows their use in all sports facilities.

Współczesne obiekty komercyjne, oprócz pełnienia swojej funkcji użytkowej, powinny wyróżniać się walorami wizualnymi oraz trwałością i ekologią. Materiałem budowlanym, który posiada te cechy oraz łączy tradycję z nowoczesnością, jest bez wątpienia drewno klejone warstwowo.

Nie dziwi więc fakt, że jednym z częściej spotykanych zastosowań konstrukcyjnego drewna klejonego są zadaszenia obiektów sportowych, rekreacyjnych i widowiskowych.

Fot. 1. Nowoczesne zadaszenie kortów tenisowych

Zalety konstrukcyjnego drewna klejonego

Za wykorzystaniem tego materiału przemawia wiele czynników, chociażby walory wizualne drewna oraz możliwość osiągania dużych rozpiętości przy niemal dowolnym kształcie elementu konstrukcyjnego. Nie bez znaczenia jest także ekologia. Drewno klejone warstwowo jest wyjątkowo przyjaznym dla środowiska materiałem budowlanym, w dodatku w pełni odnawialnym. Dzięki procesowi fotosyntezy drzewo, z którego pochodzi tarcica, pochłania podczas wzrostu dwutlenek węgla z atmosfery, a więc redukuje ilość gazów cieplarnianych. Warto zwrócić w tym miejscu uwagę na fakt, że drzewa wraz z wiekiem pochłaniają coraz mniej dwutlenku węgla. Przy racjonalnie prowadzonej gospodarce leśnej stare drzewa (odpowiednio przetworzone na drewno konstrukcyjne) użyte do budowy obiektów pozwalają zmagazynować dwutlenek węgla na długi czas, z kolei nowo zasadzone młode drzewa redukują jeszcze więcej dwutlenku węgla. Produkcja drewna klejonego pochłania też dziesięciokrotnie mniejsze ilości energii niż produkcja stali, betonu czy aluminium. Wszelkie odpady powstałe w czasie produkcji drewna klejonego zostają wykorzystane jako materiał do płyt wiórowych lub opału. Drewno konstrukcyjne jest także materiałem, który najłatwiej poddać recyklingowi. Następuje to przez powtórne wykorzystanie jako ten sam element konstrukcyjny, ewentualnie po obróbce jako nowy element bądź jako odpad w postaci materiału na płyty drewnopochodne lub paliwo opałowe. Konstrukcyjne drewno klejone ma wysoką wytrzymałość przy stosunkowo niskim ciężarze własnym. Pozwala to na zmniejszenie ciężaru konstrukcji w porównaniu z zastosowaniem konstrukcji stalowej lub żelbetowej, co w konsekwencji przekłada się np. na zmniejszenie gabarytów elementów posadowienia. Omawiając zalety drewna klejonego warstwowo, należy również wspomnieć o ognioodporności tego materiału. Pomimo coraz większej wiedzy na ten temat w środowisku inżynierów i inwestorów wciąż panuje błędne przekonanie, że drewno konstrukcyjne traci wytrzymałość w trakcie działania pożaru i wręcz przyczynia się do jego rozprzestrzenienia. Elementy konstrukcyjne z drewna klejonego warstwowo, wykonane zgodnie z obowiązującą normą EN 14080, posiadają strugane gładkie powierzchnie i fazowane krawędzie, dzięki czemu płomienie prześlizgują się po elemencie i powodują jedynie jego zwęglenie. Miękkie drewno budowlane o gęstości poniżej 650 kg/m³ stosowane do produkcji drewna klejonego warstwowo, do którego się zalicza tarcica świerkowa i sosnowa, zaczyna ulegać zwęgleniu w temperaturze ok. 250^oC. Kolejne podwyższanie temperatury nie wpływa na wytrzymałość drewna, lecz na prędkość zwęglania materiału; przyjmuje się, zgodnie z normą [3], że prędkość ta wynosi 0,6 mm/min. Można więc z łatwością określić potrzebne gabaryty przekroju drewnianego, wobec którego wymaga się spełnienia nośności pożarowej, określanej w minutach zgodnie z wymogami klas odporności pożarowej budynków jako R15, R30, R60 itd. Dla porównania wytrzymałość stali w temperaturze 250^oC spada o ok. 10%, a podwyższanie temperatury powoduje, że wytrzymałość stali maleje nieliniowo w szybkim tempie. Już przy osiągnięciu 500-700^oC typowe przekroje stalowe osiągają tzw. temperaturę krytyczną. Porównując dalej, stal charakteryzuje się wysoką przewodnością cieplną, a w związku z tym podwyższenie temperatury materiału rozprzestrzeniane jest w szybkim tempie po całej konstrukcji. Ponadto elementy stalowe projektowane ekonomicznie mają duży stosunek obwodu narażonego na działanie ognia do pola powierzchni przekroju (tzw. współczynnik U/A), który decyduje o szybkości narastania temperatury w elementach. Wymienione cechy stali nie dotyczą drewna konstrukcyjnego – projektowane przekroje są zazwyczaj masywne i posiadają niski współczynnik U/A, a drewno charakteryzuje się prawie 90-krotnie niższą przewodnością cieplną.

Fot. 2. Widok zadaszenia połączonych dwóch kortów od strony elewacji szczytowej

Lekkie konstrukcje tymczasowe

Wszystkie wymienione zalety przemawiają za tym, aby wykorzystywać drewno klejone warstwowo jako materiał konstrukcyjny tymczasowych obiektów sportowo-rekreacyjnych o lekkiej konstrukcji, krytych membraną PCV. Obiekty te najczęściej służą do zadaszenia kortów tenisa ziemnego i badmintona, ale mogą również stanowić tymczasowe magazyny lub zadaszenia tymczasowej produkcji. Ze względu na wymagane wysokości użytkowe wewnątrz obiektu, prosty schemat statyczny głównego układu konstrukcyjnego oraz łatwość w produkcji i montażu membrany obiekty wykonuje się z łukowych ram trójprzegubowych o geometrii 1/2 okręgu. Ramy rozstawione są co ok. 5 m, a ich sztywność przestrzenną zapewniają tężniki drewniane o przekroju kwadratowym oraz układ stalowych, prętowych stężeń. Taka konstrukcja zapewnia wymaganą nośność i trwałość, a dzięki odpowiednim połączeniom można ją w pełni zdemontować. Posadowienie realizuje się najczęściej za pomocą stóp fundamentowych.

W przypadku wykorzystania obiektu jako zadaszenie kortów tenisowych główna rama łukowa ma szerokość całkowitą 17,4 m i wysokość 8,7 m. Długość zadaszenia wynosi ok. 35 m. Pod zadaszeniem mieści się wówczas pełnowymiarowy kort tenisowy do gry pojedynczej o wymiarach 8,23 m x 23,77 m lub co najmniej trzy ustawione poprzecznie korty do badmintona o wymiarach 6,10 m x 13,40 m. W praktyce najczęściej są spotykane (rys.) dwa typy zadaszenia – pierwszy składa się z ośmiu identycznych ram łukowych i tworzących kształt obiektu w formie tzw. półbeczki, drugi natomiast – z pięciu ram głównych z drewna klejonego i dwóch szczytowych ram stalowych o wysokości 3 m. Membrana w tym przypadku opada w kierunku niższych ścian szczytowych. Główną zaletą tego drugiego rozwiązania jest mniejsza liczba elementów konstrukcyjnych, a więc niższe koszty budowy. Mniejsza jest jednak uniwersalność obiektu. Ze względu na zmienną wysokość użytkową praktycznie jedynie obszar o długości ok. 27,5 m spełnia wymagania stawiane rozgrywkom tenisowym. Ten typ obiektu ma najczęściej jedno zastosowanie. Obiekt ośmiołukowy charakteryzuje się jednakową wysokością użytkową na całej długości i w efekcie możliwe jest pełne wykorzystanie przestrzeni oraz zmiana przeznaczenia obiektu w trakcie jego użytkowania. Ze względu na modułowość rozwiązań obiektu ośmiołukowego możliwe jest wydłużenie zadaszenia o kolejne układy. Oba typy obiektów można wykonać w układzie szeregowym, zadaszając sąsiadujące ze sobą korty. Wykonuje się wtedy zadaszony korytarz między kortami, który może pozostać otwarty w sezonie letnim lub zamknięty zimą w celu zmniejszenia objętości ogrzewanej kubatury.

Rys. Porównanie zadaszenia pięciołukowego i ośmiołukowego

Obiekty wyposaża się w instalację grzewczą oraz instalację oświetleniową. Ogrzewanie realizuje się za pomocą dwóch nagrzewnic gazowych wewnętrznych, podwieszonych na ramach głównych na wysokości ok. 3 m. Nagrzewnice łącznie z dwoma destryfikatorami odpowiedzialnymi za rozprowadzenie ciepła, podwieszonymi w najwyższych punktach ramy, gwarantują wystarczającą sprawność instalacji, aby komfortowo użytkować obiekt w sezonie zimowym. W sezonie letnim natomiast, dzięki ograniczonemu przenikaniu promieniowania słonecznego przez membranę oraz możliwość otwarcia obiektu przez rozsunięcie bocznych części membrany, zapobiega się efektowi szklarni i nawet w upalne dni możliwe jest korzystanie z obiektu. Membrana pokrywająca konstrukcję to np. tkanina poliestrowa powlekana PCV o gramaturze 650 g/m², mająca atesty higieniczne oraz sklasyfikowana w zakresie reakcji na ogień zgodnie z normą [4] PN-EN 13501-1+A1:2010 jako B,s2,d0, a więc zgodnie z rozporządzeniem [1] określona jako niezapalna. Membrana występuje w postaci dwuwarstwowej struktury z poduszką powietrzną. Dzięki niewielkim pompom powietrznym struktura utrzymywana jest w ciągłym naprężeniu, co gwarantuje większą izolacyjność termiczną, akustyczną i odporność na warunki atmosferyczne w porównaniu z tradycyjną powłoką namiotową. Ponadto membrana nie zwisa, nie trzepocze na wietrze i jest samonośna. Do oświetlenia kortów stosuje się nowoczesne i energooszczędne oprawy oświetleniowe lamp w technologii LED, 10 lub 12 sztuk o mocy 122 W. Lampy podwieszane są do łuków ram głównych.

ot. 3 Zadaszenie pięciołukowe w trakcie montażu membrany

Zgodnie z ustawą [2] oraz rozporządzeniem [1] obiekty takie kwalifikuje się najczęściej jako tymczasowe obiekty budowlane o okresie użytkowania krótszym od ich trwałości technicznej, przeznaczone do przeniesienia w inne miejsce lub do rozbiórki. Okres użytkowania obiektu powinien być uzgodniony z inwestorem i określony w projekcie budowlanym. Wymagania pożarowe dla tego typu obiektów określają wykonanie budynku co najmniej w klasie E, a więc nie stawia się dla nich wymagań nośności, szczelności i izolacyjności pożarowej dla elementów budynku. Pomimo ciągłej pracy pomp naprężających strukturę membrany obiekt klasyfikuje się jako budynek typu namiotowego, a nie pneumatycznego. Membrana spełnia wszelkie warunki użytkowania także w przypadku braku poduszki powietrznej, traci jednak na trwałości i odporności na warunki zewnętrzne.

Fot. 4 „Podwójne” zadaszenie pięciołukowe

Obiekty łukowe pokrywające korty

boiska sportowe powstawały od kilkudziesięciu lat, jednak głównym materiałem, z którego się tworzyło konstrukcje, były kształtowniki lub kratownice stalowe i aluminiowe. Od kilku lat obserwuje się zainteresowanie inwestorów łukowymi elementami z drewna klejonego. Oprócz przytoczonych na wstępie zalet materiału podkreślić należy także względy ekonomiczne i użytkowe obiektów z wykorzystaniem drewna klejonego warstwowo. Elementy przy prawidłowo wykonanej i szczelnej membranie nie wymagają konserwacji w postaci ponawiania impregnacji ani uzupełniania pokrycia antykorozyjnego podczas całego okresu użytkowania. W przypadku zastosowania drewna nie występuje także skraplanie się pary wodnej na elementach konstrukcyjnych, jak ma to miejsce w przypadku metalowych elementów konstrukcji. Kapiące krople wody powodują dyskomfort użytkowników oraz wpływają negatywnie na trwałość nawierzchni sportowej. Bez wątpienia zastosowanie łuków z drewna klejonego jako elementów konstrukcji lekkich obiektów pokrytych membraną PCV jest uzasadnionym i dobrym wyborem. Wykorzystanie naturalnego materiału o wysokich walorach wizualnych nadaje obiektom nie tylko estetyczny wygląd, ale także dodaje prestiżu i sprawia, że wnętrza są bardziej ekskluzywne.

Adam Kotarski Jakub Przepiórka

Zdjęcia: firma Drew-Hal Bożena Dziuba

Wizualizacja: Adam Kotarski

Piśmiennictwo

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Budownictwa z dnia 14 listopada 2017 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie.
2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane.
3. PN-EN 1995-1-2 Projektowanie konstrukcji drewnianych – Część 1-2: Postanowienia ogólne – Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
4. PN-EN 13501-1+A1:2010 Klasyfikacja ogniowa wyrobów budowlanych i elementów budynków – Część 1: Klasyfikacja na podstawie wyników badań reakcji na ogień.
5. G. Woźniak, Temperatura krytyczna elementów konstrukcji stalowych, „Materiały Budowlane” nr 7/2008.
6. J. Przepiórka, T. Szczesiak, Odporność ogniowa konstrukcji drewnianych, „Inżynier Budownictwa” nr 11/2016.