Nejmodernější výzkum a technologie
Stabilní domy na stromech vyžadují sofistikovanou technologii. Nová generace našich stromových vrutů GTS 2.0 byla rozsáhle testována v řadě testů a reálných stavebních projektů. Zde se s vámi podělíme o nejnovější poznatky o jejich nosnosti a bezpečném používání.
1. Zvláštnost živého dřeva
Šrouby do stromů (známé také jako TAB, Treehouse Attachment Bolts, Tree Fasteners a Garnier Limbs) jsou celosvětovým standardem pro připevňování velkých konstrukcí ke stromům již více než 25 let . Úkolem je připevnit něco k „živému organismu“, který se pohybuje, roste a jehož vnitřnímu fungování plně nerozumíme.
Zvláštnosti živého stromu
Vruty do stromů se nešroubují do suchého, standardizovaného řeziva, ale do živého organismu . To s sebou ve srovnání se suchým a tříděným řezivem přináší následující proměnné:
- Vyšší obsah vlhkosti dřeva : Strom transportuje vodu a živiny – zejména vnějších několik centimetrů kmene stromu je velmi vlhkých Hmotnostní poměr vody k suchému dřevu je přibližně 40–200 %.
- Snížená pevnost dřeva : Až do obsahu vlhkosti přibližně 50 % se pevnost dřeva snižuje. Nad touto úrovní zůstávají hodnoty přibližně stejné.
- Růst do tloušťky : Stromy ročně dorůstají o 3–15 mm do šířky (šířka letokruhu). Postupem času se vruty do stromu začnou hromadit a pevně se integrovat do stromu.
- Silně reaktivní dřevo : Strom reaguje na ránu a vytváří kolem šroubu reaktivní dřevo – toto dřevo roste rychleji a je odolnější.
- Dynamické zatížení : Stromy se kymácejí ve větru a plošina se také kymácí – šroub není vystaven pouze statickému, ale i tisícům dynamických zatížení.
Zdroj Příručka statiky stromů, 2023 - Thomas Sinn
Pohled dovnitř
Vnitřek kmene stromu nám při stavbě domku na stromě zůstává skryt. Tento příklad čerstvě pokáceného kmene stromu (topol, přibližně 50 let starý) ukazuje, jak rozmanitá může být kvalita dřeva v rámci stromu :
- Šířka letokruhů se může značně lišit , a to nejen v závislosti na roce (klima, zásoba živin atd.), ale také v závislosti na převládající stresové situaci (viz červená 12 mm vs. zelená 3 mm ve stejném roce).
- Dřevo na vnějším okraji (cca 1 cm + kůra a kambium) má při použití se vruty do stromů menší únosnost a vlákna se mohou ohýbat směrem ven.
- Vnitřní „mrtvé“ jádrové dřevo je obvykle sušší a má větší pevnost než vnější „živé“ dřevo obsahující vodu a živiny .
- Co přesně lze očekávat uvnitř (zde žlutá, např. hniloba jádra), lze zjistit pouze vrtáním vzorků nebo ultrazvukovým měřením .
Měli byste vypočítat vruty do stromů?
Výzva spojená s připevňováním k živým stromům je zřejmá: Každý strom je jedinečný a kvalita jeho individuálního dřeva závisí na mnoha faktorech. Pro přesné určení jeho pevnosti a stability by bylo nutné provést řadu vrtání, tahových zkoušek a výpočtů statiky – v praxi by to bylo příliš složité a drahé .
Ale opravdu potřebujeme ta nejpřesnější data k bezpečnému zabezpečení domku na stromě? Naše praktické zkušenosti nám říkají: Ne.
- Vizuální posouzení obvykle postačí k určení, zda je strom zdravý nebo nemocný.
- Desítky let zkušeností (stavební praxe, výzkum, terénní testy) s vruty do stromových domů po celém světě to potvrzují.
- Nosnost vrutů do stromů lze předpovědět s dostatečnou přesností – bez nutnosti předchozího testování stromu.
- Pokud chcete být na bezpečné straně, plánujte s bezpečnostními faktory nebo stavte na kůlech.
Šrouby do stromů používám už přes 10 let a nezažil jsem ani jeden případ, kdy by se domek na stromě zřítil – a to ani během bouří, které by jinak způsobily značné škody. Ani od našich stavitelů domků na stromech jsem neslyšel žádné negativní příklady.
Průzkum mezi 18 profesionálními staviteli domků na stromech (včetně Peta Nelsona z USA, Alaina Laurense z Francie, Andrease Wenninga z Německa atd.) ukázal, že z 2253 postavených domků na stromech uhynuly v přímém důsledku výstavby pouze dva stromy – to je mnohem méně než 1 promile.
2. Testovací nastavení pro testování šroubů stromů GTS
Aby bylo možné získat smysluplné výsledky zkoušek únosnosti šroubu do stromu, musí být šrouby testovány v živém stromě nebo v čerstvě pořezaném dřevě s vysokým obsahem vlhkosti. Tyto zkoušky je nutné opakovat, dokud není prokázáno jasné a konzistentní chování při zatížení.
Zkušební sestava s hydraulickým válcem
Šrouby jsou zatíženy hydraulickým válcem. Aplikovanou sílu lze určit pomocí siloměru nebo převodem hydraulického tlaku.
Kromě našich vlastních interních studií existuje také mnoho srovnatelných výsledků testů od našich kolegů v USA, kteří používají srovnatelné vruty do stromů: Pete Nelson (oficiální testy!), Michael Garnier, Charles Greenwood, ...
Všechny vedou znovu a znovu ke stejným výsledkům, které jasně ukazují nosné chování šroubů.
V následujících videích si můžete prohlédnout některé z našich terénních testů:
3. Zatížení šroubů GTS ve stromu
Zatížení GTS Allstar 2.0
Vrt GTS Allstar 2.0
Šroub se zašroubuje až na doraz do předvrtaného otvoru. Tím se také vytvoří kontaktní plocha (červená), na kterou se musí pevně opřít zadní část válce. To je důležité, protože tato kontaktní plocha přenáší až 20 % zatížení na strom!
Otočný bod pod zatížením
Hrubý závit (A) a válec (B) přenášejí zatížení F z domku na stromě na kmen stromu. Otočný bod GTS Allstar 2.0 se nachází přibližně 11 cm uvnitř stromu, kolem kterého se šroub při zatížení otáčí.
Přenos zatížení
Přibližně 50 % zatížení je absorbováno pod válcem (zelená) a přibližně 30 % přímo hrubým závitem (žlutá). Zadní deska (červená) přenáší přibližně 20 % zatížení do stromu, ale plný účinek se dostaví až po zatížení přibližně 1 tunou, kdy jsou dřevěná vlákna již mírně stlačena.
Přetížení a selhání
GTS by nikdy neměl klesnout o více než 2°!
- Náklon vede k namáhání spojovacích prvků a nosné konstrukce.
- Nad GTS se vytvoří mezera, kterou se do stromu mohou dostat plísňové spory a škůdci.
Zatížení GTS Friend 2.0 (a spol.)
GTS Friend 2.0 lze také použít jako náhradu za ostatní malé šroubky GTS, protože konstrukce je velmi podobná – více o tom níže v základních pravidlech.
Vrt GTS Friend 2.0
GTS Friend 2.0 se zašroubuje do předvrtaného otvoru, dokud se základna dříku o průměru 40 mm nezapustí do kůry. V zadní části vyvrtaného otvoru ponechte určitý prostor.
Otočný bod pod zatížením
Otočný bod zařízení GTS Friend 2.0 se nachází přibližně 9 cm uvnitř stromu, kolem tohoto bodu se šroub otáčí při zatížení.
Přenos zatížení
Přibližně 60 % zatížení se přenáší přes vnitřní část závitu a asi 40 % přes vnější část. Je to proto, že jádrové dřevo je obecně tvrdší, zatímco dřevo v oblasti kůry má nižší únosnost.
Přetížení a selhání
GTS by nikdy neměl klesnout o více než 2°!
- Náklon vede k namáhání spojovacích prvků a nosné konstrukce.
- Nad GTS se vytvoří mezera, kterou se do stromu mohou dostat plísňové spory a škůdci.
4. Chování šroubů GTS při zatížení
Naše současné testy potvrzují výsledky našich předchozích testů a jsou v souladu s výsledky jiných výrobců vrutů (Pete Nalson, Michael Garnier, Charles Greenwood atd.). Když porovnáte zatížení se sklonem/vzdáleností, o kterou se vrut zaboří, získáte pěknou charakteristickou křivku únosnosti vrutů. Zde s použitím GTS Allstar 2.0 v čerstvě pokáceném jasanu:
Rameno páky lineárně ovlivňuje nosnost
Jak se očekávalo, únosnost šroubu klesá se zvyšujícím se ramenem páky. Zprůměrovaná lineární funkce ukazuje, že existuje individuální počáteční únosnost (4,38 pro tento jasan) a že únosnost klesá faktorem 0,13 × rameno páky (cm).
Parabolický poruchový režim ve 2 fázích
Při svislém zatížení se šroub otáčí kolem svého otočného bodu a plynule se zabořuje do dřeva. Naše hodnoty pro maximální únosnost GTS jsme stanovili při úhlu sklonu 1° (MAX 1).
Formulář selhání - Fáze 1
Ve fázi 1 jsou dřevěná vlákna pod šroubem stále neporušená a dobře stmelená (zelená oblast až do MAX1 v diagramu) a tlačí proti šroubu. To umožňuje aplikaci vysokého zatížení s malou deformací.
Formulář selhání - Fáze 2
V přechodové fázi až do MAX 2 začínají praskat první dřevěná vlákna. Mírné zvýšení zatížení je stále možné. Jakmile je překročeno MAX 2, je dřevěné těleso pod vrutem zcela stlačeno a zvýšení zatížení je téměř nemožné. Čím vyšší je nyní zatížení, tím více se vruty otáčí kolem svého otočného bodu do stromu.
Klíčová zjištění
Postřeh 1: Selhává pouze dřevo, samotný GTS je nezničitelný.
Poznatek 2: Selhání je jasně indikováno prohýbáním GTS při přetížení.
Zjištění 3: I při maximálním přetížení 6 - 8 tun se GTS nikdy nevylomilo ze dřeva, ale vždy se zabořilo kolem otočného bodu „do stromu“.
Zajímavé pozorování - musí válec zasahovat do stromu celých 8 cm?
Ukázalo se, že pro zatížení pod únosností (tj. < 1 t měkkého dřeva; < 2 t tvrdého dřeva) nehraje velký rozdíl, zda je válec Allstar zapuštěn do stromu pouze 4 cm nebo celých 8 cm: Únosnost se snižuje jen nepatrně, protože hrubý závit a zadní deska stále fungují na plných 50 %. Vnější 1–2 cm kůry nebo běli přispívají k únosnosti jen nepatrně, protože tato velmi vlhká a měkká dřevěná vlákna se pod zatížením ohýbají.
Pouze v oblasti maximální nosnosti a výše rozvíjí vnější část válce svůj plný účinek a s každým centimetrem významně přispívá k nosnosti.
Pro nás to znamená: Při normálním zatížení lze válec Allstar otočit ve stromu pouze o 4 cm (první značka na válci) a stále bude velmi dobře držet.
Vylepšení GTS 2.0
V oblasti vývoje produktů by se dalo o čem filozofovat, ale nic není tak odhalující jako stovky testů přímo na živém stromě. Tyto poznatky jsme zapracovali do návrhu našeho nového GTS 2.0.
Úspěšně se nám podařilo maximalizovat únosnost systému GTS a zároveň výrazně usnadnit instalaci.
Vylepšení 1 - Vlákno stromu 2.0
Abychom našli optimální nit pro stromy, porovnali jsme 20 různých tvarů nití u 6 druhů stromů ve více než 100 pokusech – výsledkem je naše „nit pro stromy 2.0“!
Vylepšení 2 – Pin pro rychlý start
Naše testovací šrouby ukázaly, že prvních několik centimetrů závitu lze vynechat. V našich testech se únosnost šroubů dokonce zvýšila, když v prvních několika centimetrech nebyly žádné ostré závity.
Výsledkem je mimořádně praktický „Quick Start Pin“, mírně zdrsněný kolík, který během instalace dokonale zapadne do vyvrtaného otvoru. To značně zjednodušuje instalaci vysoko na stromě! Také usnadňuje utěsnění vyvrtaného otvoru, pokud je potřeba chvíli počkat s jeho zašroubováním – minimalizuje se tak riziko, že se během instalace do otvoru dostanou plísňové spory.
Vylepšení 3 - Těsnění+
Zvětšením průměru válce se vlhká dřevěná vlákna kolem vyvrtaného otvoru posunou. Pokud se šroub při počátečním zatížení mírně prohne, dřevěná vlákna se opět roztáhnou a otvor utěsní.
Hluboké drážky umožňují, aby se strom při obepínání rány propojil s ocelí, což usnadňuje rychlé a čisté uzavření rány.
Vylepšení 4 – Rozměry GTS
Prostřednictvím četných individuálních testů a našich znalostí únosnosti jsme optimálně přizpůsobili délky závitu stromu, válce a hřídele u všech modelů GTS příslušné aplikaci.
Vylepšení 5 - Montážní drážky
V minulosti jsme si někdy nebyli jisti, zda zadní část válce zcela dosedá na kontaktní plochu. Proto jsme do nového GTS Allstar 2.0 přidali drážky, které označují přesnou hloubku montáže. Dvojitý závit má také větší předstih, takže lépe cítíte, kdy narážíte na kontaktní plochu.
5. Základní pravidlo pro výpočet únosnosti GTS
Zde:
1. Z tabulky si vezměte hodnoty (průměrné pevnosti v tlaku a poznamenejte si maximální a minimální hodnoty rozptylu. 1,4 je absolutně nejnižší hodnota, která se objevila u zdravých stromů - tj. můžete se na ni spolehnout) až 4....
Pro data o zatížení používáme průměrné hodnoty
2. Odkaz na testovací video Peta NElasona --> Američané také testovali s velmi podobnými rozměry šroubů a dosáhli ještě lepších výsledků testů
Porovnání chování modelů GTS při zatížení
Pro GTS Allstar i menší GTS Friend lze lineární vzorce odvodit z diagramů zatížení-deformace s dostatečnou přesností . Tento příklad ukazuje čerstvý jasan.
GTS Allstar 2.0 v barvě popela
y = -0,13x + 4,38
Při zatížení s ramenem páky 0 cm má GTS Allstar nosnost 4,38 t při sklonu 1°. Tento výsledek platí pro jednotlivý jasan, na kterém byl test proveden.
GTS Friend 2.0 v popelavé barvě
y = -0,065x + 1,68
Při zatížení s ramenem páky 0 cm má GTS Friend nosnost 1,68 t při sklonu 1°. To je o 2,7 t, neboli přibližně o 61 %, méně než GTS Allstar se stejným výložníkem.
Naším cílem je vytvořit univerzální vzorec pro každý model GTS, aby bylo možné s dostatečnou přesností odhadnout jeho únosnost v závislosti na rameni páky a druhu stromu .
Přístup:
- Vyhodnotíme všechny výsledky testů pro příslušné kombinace modelu GTS a druhů stromů a získáme několik zjednodušených lineárních vzorců (viz bod 4).
- Z několika externích studií jsme shromáždili data o pevnosti zeleného dřeva různých druhů stromů .
- Podle studií se minimální hodnota pevnosti čerstvého dřeva na severní polokouli (Eurasie, Kanada, Severní Amerika) pohybuje v rozmezí 1,6 kN/cm² (vrba) a v horním rozmezí lze očekávat mezi 2,2 a více než 3 kN/cm² (habr, dub a další tvrdá dřeva).
- Po všech provedených testech se tato pevnost čerstvého dřeva projeví v naměřených hodnotách únosnosti – proto tyto hodnoty s koeficientem používáme v našem vzorci.
- Skutečnost, že individuální pevnost dřeva v daném stromě se může značně lišit, se zohledňuje zaokrouhlením všech faktorů ve vzorcích na „bezpečnou stranu“.
To znamená, že naše uvedené směrné hodnoty pro šrouby lze vztáhnout k tabulce.
Základní pravidlo: GTS Allstar 2.0
- Hodnota y: Nosnost GTS Allstar 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-hodnota: Důvody Pevnost dřeva dle tabulky [kN/cm²]
- Hodnota x: rameno páky [cm] = vzdálenost od kůry k bodu působení zatížení / středu podpěry
Bezpečnostní faktor SF:
- statické zatížení 1,2
- dynamické zatížení 1,4
Základní pravidlo: GTS Allstar 2.0
- Hodnota y: Nosnost GTS Allstar 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-hodnota: Důvody Pevnost dřeva dle tabulky [kN/cm²]
- Hodnota x: rameno páky [cm] = vzdálenost od kůry k bodu působení zatížení / středu podpěry
Bezpečnostní faktor SF:
- statické zatížení 1,2
- dynamické zatížení 1,4
Příklad javoru
Výpočet nosnosti - GTS Allstar 2.0 v javorovém provedení
y = (1,55*T - 0,12*x) / SF
- Pevnost javoru v zeleném dřevě : 2,64 kN/cm²)
- Rameno páky (střed nosníku a podpory) se předpokládá na 10 cm.
- SF Bezpečnostní faktor převážně statický: 1,2
y = (1,55 * 2,64 - 0,12 * 10) / 1,2
y = (2,89 až) / 1,2 = 2,41 až
Při správné instalaci do javoru dosáhne GTS Allstar 2.0 s největší pravděpodobností průměrné nosnosti 2,41 tuny (= 24,1 kN = 5300 lbs) . Jedná se o průměrnou hodnotu pro převážně statické, svislé zatížení s ramenem páky 10 cm.
Základní pravidlo: GTS Friend 2.0
- Hodnota y: Nosnost GTS Friend 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-hodnota: Důvody Pevnost dřeva dle tabulky [kN/cm²]
- Hodnota x: rameno páky [cm] = vzdálenost od kůry k bodu působení zatížení / středu podpěry
Bezpečnostní faktor SF:
- statické zatížení 1,2
- dynamické zatížení 1,4
Základní pravidlo: GTS Friend 2.0
- Hodnota y: Nosnost GTS Friend 2.0 [t] (1 t = 10 kN = 2200 lbs)
- T-hodnota: Důvody Pevnost dřeva dle tabulky [kN/cm²]
- Hodnota x: rameno páky [cm] = vzdálenost od kůry k bodu působení zatížení / středu podpěry
Bezpečnostní faktor SF:
- statické zatížení 1,2
- dynamické zatížení 1,4
Příklad borovice
Výpočet nosnosti - GTS Friend 2.0 v borovicovém provedení
y = (0,7*T - 0,07*x) / SF
- Rameno páky (střed nosníku a podpěry) se předpokládá na 6 cm.
- Pevnost borovice v čerstvém dřevě : 2,19 kN/cm²)
- Bezpečnostní faktor SF převážně statický: 1,2
y = (0,7 * 2,19 - 0,07 * 6) / 1,2
y = (1,11 až) / 1,2 = 0,93 t = 930 kg
Při správné instalaci do borovice dosáhne GTS Friend 2.0 s největší pravděpodobností průměrné nosnosti 0,93 tuny (= 9,3 kN = 2040 lbs) . Jedná se o průměrnou hodnotu pro převážně statické, svislé zatížení s ramenem páky 6 cm.