Tradycyjne więźby dachowe domów jednorodzinnych

Geneza zagadnienia

Tradycyjne budownictwo drewniane ma bogatą historię. Kiedyś materiał ten, obok kamienia naturalnego, był jednym z podstawowych budulców. Z czasem został wyparty przez bardziej wytrzymałe i odporne materiały – ceramikę, stal i beton. Zakres zastosowania drewna jako materiału do wznoszenia obiektów w tradycyjnym sposobie konstruowania zawęził się praktycznie do budownictwa jednorodzinnego i w niewielkim stopniu do innych obiektów. Znacznie szersze zastosowanie miały formacje budowlane w tradycyjnej drewnianej konstrukcji, czyli stropy i więźby dachowe. Przez wiele lat uległy one niewielkiej transformacji. Uwspółcześnione zostały sposoby łączenia poszczególnych elementów, zmianie uległy przekroje niektórych z nich, a przede wszystkim zastąpiono tradycyjne materiały izolacyjne i wykończeniowe nowszymi i wyspecjalizowanymi do pełnienia określonych funkcji i charakteryzujących się wysokimi parametrami.

Budownictwo drewniane to niegdyś dominujący sposób wznoszenia obiektów. Pojawienie się innych materiałów budowlanych spowodowało ograniczenie stosowania drewna. Jednak w dalszym ciągu stanowi ono podstawowy materiał konstrukcyjny więźb dachowych budynków jednorodzinnych.

Fot. Widok na więźbę dachową podtrzymującą szklany dach – uniwersytet w Trydencie, Włochy

Za stosowaniem drewna jako materiału budowlanego przemawia wiele czynników, m.in.:

– łatwość obróbki i łączenia – różna dla poszczególnych gatunków;

– stosunkowo wysoka wytrzymałość;

– niewielki ciężar właściwy;

– korzystny stosunek wytrzymałości drewna w stosunku do jego masy, dzięki któremu stosunkowo lekkie konstrukcje mogę przenosić duże obciążenia;

– dobra izolacyjność cieplna i akustyczna;

– walory estetyczne;

– inne, np. ostrzegawcze, właściwości drewna.

Wymienionym zaletom przemawiającym za wykorzystaniem drewna w budownictwie na elementy więźb dachowych towarzyszą słabe strony materiału, które należy uwzględnić na etapie projektowania i wznoszenia więźby, a mianowicie:

– anizotropowa budowa drewna – np. różna wytrzymałość wzdłuż i w poprzek włókien, różne moduły sprężystości w kierunkach podłużnym, promieniowym i stycznym;

– higroskopijność;

– zmiany wymiarowe ze zmianą wilgotności (skurcz i pęcznienie);

– palność;

– podatność na korozję biologiczną (owady i grzyby);

– liczne wady surowca wynikające z morfologicznej budowy drzew (sęki, skręt włókien niekorzystnie wpływające na wytrzymałość);

– duże straty drewna w procesie pozyskiwania surowca i obróbki.

Ze względu na fakt przenoszenia obciążeń, wynikających z ciężaru pokrycia dachowego, oraz licznych czynników, mogących wpływać na trwałość drewnianych konstrukcji, kwestia wytrzymałości drewna jest szczególnie ważna, a co za tym idzie niezwykle istotny jest dobór właściwego materiału w zależności od przewidywanych warunków użytkowania. Do budowy konstrukcji, takich jak więźba dachowa, należy wykorzystać materiał o określonej charakterystyce jakościowej, szczególnie w kontekście parametrów wytrzymałościowych. Innymi słowy, do wznoszenia konstrukcji drewnianych należy stosować drewno konstrukcyjne, co obecnie stanowi już prawny obowiązek.

Więźba dachowa to drewniany szkielet dachu przenoszący obciążenia wynikające z masy pokrycia dachowego, a także obciążeń będących skutkiem działania czynników zewnętrznych (pokrywa śnieżna, działanie wiatrów). Więźby należą do konstrukcji ciesielskich, a przekazywanie sił od obciążeń ciężarem własnym, wiatrem i śniegiem między poszczególnymi elementami odbywa się przez złącza ciesielskie.

Podstawowe elementy konstrukcyjne więźby to: krokwie, płatwy, słupy, kleszcze oraz jętki. Aby więźba mogła pełnić przypisane jej funkcje, elementy te należy ze sobą połączyć, wykonując odpowiednie złącza ciesielskie. Połączenia elementów więźby muszą zapewniać dostateczną sztywność całej konstrukcji. Rozwój technologii w tym zakresie pozwala na wiele uproszczeń istotnych z punktu widzenia realizacji. Stosowane dawniej połączenia ciesielskie (na wręby) w nowoczesnych konstrukcjach są zastępowane złączami konstrukcyjnymi. Są to perforowane profile z ocynkowanej blachy stalowej, które przytwierdza się do drewna za pomocą gwoździ. Dzięki zastosowaniu złączy elementy drewniane są łączone na styk, co pozwala zmniejszyć zużycie materiału i skraca czas potrzebny do wykonania pracy. Takie połączenia są też znacznie mniej podatne na odkształcenia. Każde złącze powinno być wykonane w określonym kształcie i rozmiarze. Niekiedy zachodzi konieczność wzmocnienia jego stabilności za pomocą dodatkowych elementów metalowych. W tym celu stosuje się śruby, gwoździe, pierścienie, klamry ciesielskie lub inne łączniki do drewna (blachy i płytki perforowane, knagi, wsporniki belek, złącza kątowe).

Rodzaje konstrukcji dachowych

Podstawowym elementem więźby są wiązary dachowe o różnej konstrukcji. Zespół kilku wiązarów tworzy dach, na którym spoczywa pokrycie oparte za pośrednictwem łat i ewentualnie kontrłat (wąskie deski lub szerokie listwy). Wiązary opiera się na belkach stropu poddasza, na murze za pośrednictwem murłaty lub, w przypadku ściany szkieletowej, na belce oczepowej. W kierunku podłużnym konstrukcja dachu usztywniona jest za pomocą ukośnie przybijanych desek wiatrownic.

Jest kilka podstawowych rodzajów więźby dachowej. Wybór rodzaju więźby zależy od rozpiętości dachu i nachylenia jego połaci. W tych najprostszych więźbach pary krokwi zbiegających się w kalenicy tworzą konstrukcję wiązarów – identycznych w całym dachu. W domach jednorodzinnych najczęściej stosuje się więźbę krokwiowo-jętkową i płatwiowo-kleszczową, ze względu na ich prostotę oraz uniwersalność.

Jeśli strop poddasza jest drewniany, dolnymi pasami wiązarów mogą być belki stropowe, a gdy strop jest żelbetowy lub ceramiczny, funkcję pasów dolnych może też przejąć jego konstrukcja nośna. Najczęściej wtedy krokwi nie opiera się bezpośrednio na murze, ale na zakotwionym w murze krawędziaku.

Więźba krokwiowa

Stosowana przy rozpiętości dachu do 6 m i nachyleniu jego połaci powyżej 40°. W rozwiązaniu tym konstrukcja opiera się jedynie na murłatach (nie stosuje się podpór pośrednich) – rys. 1. Zapewnia to całkowicie wolną przestrzeń poddasza. Duży nacisk wywierany na ścianki kolankowe zmusza do ograniczania ich wysokości i stosowania wzmocnień, np. żelbetowymi słupkami lub wieńcem, opasującym ściany na wysokości zamocowania murłat. Wiązary wiąże się usztywniającymi więźbę wiatrownica- mi, ponadto usztywnia je deskowanie lub ołacenie.

Więźba krokwiowo-jętkowa

Konstrukcja ta wykorzystuje elementy spinające krokwie – jętki (rys. 2), czyli poziome elementy między krokwiami, służące usztywnieniu krokwi i zmniejszeniu uginania się krokwi pod obciążeniem. Jętki są często wykorzystywane jako element konstrukcyjny sufitu albo pozostawia się je widoczne, by dodawały charakteru pomieszczeniom pod skosami. Zastosowanie jętek pozwala na wykorzystanie konstrukcji w przypadku dachów o rozpiętości do 8,5 m.

Największą zaletą konstrukcji krokwiowych jest ich prostota. Jednak przy typowym wykonaniu poważne wady to niewielka dopuszczalna rozpiętość oraz wymagany duży spadek dachu. Przy niewielkich rozpiętościach, gdy nie ma słupów, przestrzeń poddasza można dowolnie dzielić.

Rys. 2 Schemat wiązaru o konstrukcji krokwiowo-jętkowej

Więźba płatwiowa

Płatwie to belki równoległe do kalenicy, na których się opierają krokwie. Dolne płatwie spoczywają na stropie lub ściance kolankowej, pozostałe zaś są podparte słupami. Obciążenia są przekazywane za pośrednictwem płatwi na ściany nośne i strop.

Więźba płatwiowa jest bardzo uniwersalna i występuje w wielu odmianach. Rozpiętość dachu może sięgać nawet 12 m, a jego przekrój może być bardzo skomplikowany.

Odpowiednia liczba płatwi i słupów pozwala na zbudowanie dachu o dowolnym, niemal minimalnym spadku. Utrudnieniem w zagospodarowaniu poddasza o takiej więźbie są słupy (można próbować ukryć w ściankach działowych).

Więźba z wiązarów kratowych

Wiązary kratowe (kratownice) to nowoczesne konstrukcje zbudowane z elementów o mniejszej grubości w porównaniu z tymi stosowanymi

w tradycyjnej więźbie ciesielskiej. Wiązar taki składa się z pasa górnego i dolnego, między którymi się znajdują cienkie pionowe słupki i ukośne krzyżulce. Konstrukcja ta daje bardzo dużą sztywność i wytrzymałość przy zminimalizowaniu ilości wykorzystanego drewna. Jednak wykonanie wiązarów o konstrukcji kratowej jest dość pracochłonne i wymaga dużej dokładności. Ponadto niewielkie wymiary poszczególnych elementów wymuszają konieczność zastosowania drewna o najwyższej jakości, co istotnie wpływa na kosztochłonność inwestycji.

Ze względu na charakterystykę wytrzymałościową wiązarów kratowych znajdują one zastosowanie przede wszystkim w budynkach wymagających wiązarów o dużej rozpiętości (do 12 m, a nawet i znacznie większe). Zaletą tego rozwiązania jest to, że nie wymaga podpór pośrednich (wewnętrznych ścian nośnych ani podciągów). Choć wiązary kratowe można zaprojektować do każdego dachu, spadki dachów o konstrukcji z wiązarów kratowych są zwykle niewielkie (do 20°). Wynika to z faktu, że przestrzeń poddasza podzielona takimi wiązarami w zasadzie nie nadaje się do wykorzystania. Wyjątek stanowią dachy na więźbach krokwiowych z wiązarami kratowymi zamiast belek z litego drewna – wiązar kratowy zastępuje krokiew z litego drewna. Zastosowanie tak złożonej „krokwi” pozwala na zwiększenie kąta nachylenia połaci dachowych nawet do 44°. Różne wariacje na temat dachów opartych na wiązarach kratowych pozwalają na ich szerokie zastosowanie nie tylko w budownictwie rodzinnym, ale także w gmachach użyteczności publicznej o dużej rozpiętości dachu. Przykładem jest konstrukcja więźby dachowej w uniwersytecie w Trydencie (fot. 1).

Więźba wieszarowa

Więźba dachowa to rodzaj konstrukcji, która znajduje zastosowanie przede wszystkim wtedy, gdy odległości między ścianami nośnymi są bardzo duże (ok. 10 m) lub w przypadku gdy wszystkie obciążenia są przekazywane na ściany zewnętrzne (brak wewnętrznych ścian nośnych). Krokwie przekazują obciążenia np. na płatwie, a te zaś – na wieszaki zamiast na słupy. Więźby o konstrukcji wyłącznie wieszarowej nie są popularne i rzadko się je spotyka o rozpiętości ponad 12 m. Jednak wieszaki bywają wykorzystywane w zastępstwie słupów w więźbach o różnej konstrukcji.

Kształt dachu

O  rodzaju więźby decyduje jej rozpiętość – odległość między ścianami zewnętrznymi – oraz kąt nachylenia planowanego dachu. Natomiast o stopniu skomplikowania konstrukcji przesądzają załamania połaci dachowych, ich wzajemne przenikanie, lukarny oraz obejścia kominów.

Rzeźbę dachu stromego można niemal dowolnie kształtować, tworząc konstrukcje wielopołaciowe o zróżnicowanych kątach nachylenia i wysokościach szczytów, umieszczając w nim lukarny i wieżyczki. Jednak wybierając kształt dachu, należy sprawdzić, czy w docelowym miejscu plan zagospodarowania przestrzennego nie narzuca żadnych ograniczeń.

Dach jednospadowy spotykany jest stosunkowo rzadko. Jest najprostszy, ale nieefektowny, dlatego wieńczy przede wszystkim domy dostawione do wyższych budynków lub budynki z założenia proste w formie. Często wykorzystywany w budownictwie jednorodzinnym jest dach dwuspadowy, cieszący się opinią najłatwiejszego. Łatwo jest wykończyć go dowolnym rodzajem pokrycia, nie ma na nim miejsc, w których mogą zalegać liście czy śnieg. Na szczycie takiego dachu można zaprojektować naczółki – dekoracyjne załamania połaci, które jednak w pewnym stopniu komplikują jego wykonanie. Dachy kopertowe są też bardzo popularne, ale ta forma zmniejsza znacznie powierzchnię użytkową poddasza i zwiększa powierzchnię pokrycia, co wpływa na zwiększenie kosztów. Innym rodzajem są dachy mansardowe, które są rzadziej spotykane. Dolna połać pełni w nich funkcję lekko tylko pochylonej ściany, w której można umieścić zwykłe okna. We wnętrzu pod takim dachem ogranicza się stosunkowo niewygodne i trudniejsze do zagospodarowania skosy.

Tab. Relacja klas sortowniczych krajowego (polskiego) drewna konstrukcyjnego według PN-D-94021 w stosunku do klas wytrzymałościowych według PN-EN 338 (PN-EN 1995-1-2010)

Drewno na więźbę dachową

Więźba składa się z elementów drewnianych o tak dobranych przekrojach, aby przeniosły obciążenie pokryciem dachowym, śniegiem i wiatrem. Więźbę wykonuje się z surowca dostępnego w krajowych lasach, najczęściej drewna sosnowego i świerkowego, znacznie rzadziej używa się do tego celu jodły oraz nieco droższego modrzewia.

Drewno powinno być klasy nie niższej niż zapisana w projekcie, zwykle co najmniej C24. Klasa oznacza wytrzymałość drewna na zginanie – im wyższa, tym lepiej. W Polsce sortowanie wytrzymałościowe drewna odbywa się na podstawie oględzin, podczas których określa się ilość wad obecnych w sztuce tarcicy i na tej podstawie przypisuje się drewno do jednej z trzech klas wytrzymałościowych KW, KS lub KG lub określa się dany element jako nieprzydatny konstrukcyjnie.

Drewno poddawane jest sortowaniu po osiągnięciu odpowiedniego poziomu wilgotności, tj. wtedy gdy wilgotność jest niższa niż 20%. Materiał ten znajduje się w tzw. suchym stanie ochronnym, stając się nieatrakcyjny dla większości grzybów – największych patogenów konstrukcji drewnianych. Dobór takiej wilgotności dla drewna wynika z faktu, że jest to wilgotność użytkowa drewna wykorzystywanego na elementy konstrukcji znajdujące się pod zadaszeniem. Daje to gwarancję niezmienności kształtu i wymiarów – drewno już wysuszone nie ulegnie skurczeniu i wypaczeniu czy nawet zwichrowaniu.

W zakresie klasyfikacji jakościowej drewna w ostatnich dekadach wiele się zmieniło, na co warto zwrócić uwagę. Zmieniły się przede wszystkim standardy (normy) i wprowadzono poniekąd nowe systemy klasyfikacyjne. W nieobowiązującej już normie projektowej – PN-B-03150- 01:1981 Konstrukcje z drewna i materiałów drewnopochodnych. Obliczenia statyczne i projektowanie.

Materiały – uwzględniono klasy jakości drewna: K39, K33, K27, K21. Z powodu wycofania normy klasy te nie powinny się już pojawiać w projektach.

Wprowadzona normą – PN-EN 338:1999 Drewno konstrukcyjne. Klasy wytrzymałości – klasyfikacja drewna metodami maszynowymi wymienia klasy drewna: C14, C16, C18, C20, C22, C24, C27, C30, C35, C40, C50, mające swoje odpowiedniki w klasach wyróżnionych w normie PN-B-03150- 01:1981 i PN-D-94021:2013. Dla drewna sosny i świerku o grubości powyżej 38 mm w normie PN-B-03150:2000/Az3:2004 oraz PN-EN 1912:2000/Ap1: 2004 przyjęto przyporządkowanie: KW – C30, KS – C27, KG – C22.

Podsumowanie

Ogromne doświadczenie w budownictwie drewnianym, sięgające kilkaset lat, pozwoliło na wypracowanie wielu rodzajów konstrukcji więźb dachowych, dając niemal nieograniczone możliwości realizacji. W zależności od wielkości budynków, przede wszystkim ich rozpiętości, można zastosować proste w wykonaniu rozwiązania, które są istotnie gb tańsze. Chcąc nie być ograniczonym wymiarami, można zastosować bardziej wyrafinowane rozwiązania, które poza wartościami użytkowymi dają imponujące walory estetyczne.

Równie istotnym aspektem poza rodzajem konstrukcji jest materiał przeznaczony do budowy dachu. Ważne jest zastosowanie starannie wyselekcjonowanego drewna, spełniającego najsurowsze normy, zapewniając tym samym wysoką trwałość budynku i bezpieczeństwo jego użytkownikom.

dr inż. Agnieszka Jankowska

Katedra Nauki o Drewnie i Ochrony Drewna

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie