Нир. Основные преимущества и недостатки древесины при использовании в несущих элементах здания

• Название: Основные преимущества и недостатки древесины при использовании в несущих элементах здания
• Дата: 22.06.2022
• Размер: 458.72 Kb.
• Имя файла: NiR (1).docx
• Тип: Исследование; #609402

5. Научно-исследовательский раздел

5.1. Исследование конструктивных решений по возведению многоэтажных зданий из деревянных конструкций

Основные преимущества и недостатки древесины при использовании в несущих элементах здания.

Сегодня 30% годовых выбросов парниковых газов в мире можно отнести к строительному сектору, а также 40% энергии, используемой в мире. Рисунок 5.1 показывает, что энергия, используемая при изготовлении материалов для здания, составляет около 22% от общей энергии, используемой в течение жизненного цикла здания.



Рис. 5.1. Распределение потребления энергии для возведения здания

Если рассматривать выбросы углекислого газа, то древесина является хорошей заменой невозобновляемых материалам, таким как бетон, сталь и кирпичная кладка. При производстве и переработке невозобновляемых строительных материалов требуется достаточно большое количество энергии. Это связано с тем, что выбросы, связанные с рубкой, транспортировкой и переработкой, малы по сравнению с количеством углерода, которое может содержать в себе древесина.



Рис. 5.2. Количество выбросов углекислого газа во время изготовления различных строительных материалов

На рисунке 5.2 показаны выбросы углекислого газа во время изготовления различных строительных материалов. Диаграмма не учитывает содержание углерода в древесине.

Теперь рассмотрим преимущества древесины с экономической точки зрения. Из-за своей низкой плотности вес древесины относительно небольшой, что экономически эффективно при транспортировке. По этой же причине строительство зданий может быть более быстрым и тем самым более экономичным. Низкий вес также сказывается и на выборе менее массивного фундамента.

Кроме того, свойства древесины остаются неизменными при низких температурах, и поэтому строительство домов возможно и зимой. Также древесина обладает хорошими теплоизоляционными свойствами, что снижает потребность в изоляции.

Недостатки использования древесины

Древесина сегодня часто рассматривается как хорошая замена бетона и стали из-за ее экологической выгоды, ведь древесина имеет меньшее воздействий на окружающую среду, чем, например, бетон. Однако при выборе древесины для основных структурных элементов необходимо обращать внимание на существующие некоторые трудности. Трудно получить удовлетворительную производительность в отношении звукоизоляции на полах. При хождении людей возникают вибрации, которые имеют низкую частоту. Этот звук трудно изолировать. Вибрации уменьшаются с увеличением жесткости пола. Поскольку деревянные полы не обеспечивают такую же жесткость, как бетонные полы при одинаковой толщине, деревянные полы обычно становятся довольно толстыми для длинных пролетов, которые также влияют на общую высоту здания. Особенно это проблема возникает в зданиях требующих открытых пространств на этаже, например, в офисах.

Кроме того, важно учитывать устойчивость деревянных зданий. Плотность древесины меньше плотности бетона; поэтому деревянные здания легче. Это может быть проблематично при проектировании высоких деревянных зданий, поскольку легкая конструкция не может противостоять ветровым нагрузкам так же хорошо, как тяжелое здание. Поэтому во многих случаях необходимо обеспечить такие легкие конструкции дополнительным весом или креплениями, чтобы предотвратить подъем и опрокидывание здания.

Древесина имеет высокую прочность по отношению к ее весу. Однако фактическая прочность на сжатие меньше прочности на сжатие бетона или стали. Прочность при растяжении больше, чем для бетона, но меньше, чем для стали.

Древесина имеет разные механические свойства в разных направлениях. Например, древесина имеет более высокую прочность на сжатие параллельно ее волокнам, чем перпендикулярно ее волокнам. Следовательно, общая деформация здания станет больше, если много элементов конструкции будут подвергаться сжатию перпендикулярно волокнам по всему зданию.

Когда, например, совместить бетонный сердечник с деревянной рамкой, важно учитывать, что будут возникать разные перемещения между различными системами. Усадка для древесины, зависит от направления относительно волокон и от изменения содержания влаги. Значения деформации при усадке древесины при каждом изменении на 1% влажности составляют 0,001 в продольном направлении и 0,03 в поперечном направлении.

Общее изменение содержания влаги может составлять порядка 7%, что дает, например, конечную деформацию усадки 0,007 в продольном направлении. Бетон имеет окончательную деформацию усадки в диапазоне 0,0001-0,0005, которая меньше конечной деформации усадки для древесины.

Другой фактор, который влияет на деформацию, является ползучесть, поэтому жесткость материала является влияющим на деформацию фактором. Ползучесть наблюдается как в древесине, так и в бетоне при воздействии длительных нагрузок. Ползучесть наблюдается в древесине при большой влажности и при высоких температурах.

Конструктивные решения возведения зданий, выполненных из дерева.

При выборе структурных систем для деревянных зданий, возникает вопрос: какие здания могут быть спроектированы. Различные здания, такие как небольшие дома, спортивные залы и офисы, имеют разные требования в отношении пролетов, грузоподъемности, огнестойкости и акустики.

Панельные системы

Несущие детали в панельной системе представляют собой плоские элементы, такие как стеновые элементы и элементы пола. Панельные системы могут быть подразделены на две различные конструктивные системы: легкие каркасные панели и массивные деревянные панели. Основной принцип для обеих систем одинаковый. Несущие стены выдерживают как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки. Полы распределяют эффект горизонтальных нагрузок от фасада до несущих стен выполняющие роль диафрагм.



Рис. 5.3. Технология возведения дома из легких каркасных деревянных панелей

В Швеции системы с легкими рамными панелями являются общепринятыми для односемейных домов, но также используются в более высоких зданиях. Однако сегодня существует технический предел в размере семи этажей из-за неприемлемых вертикальных деформаций, располагающихся перпендикулярно к волокнам.

Легкие рамные стены состоят из вертикальных пластин, соединенных вверху и внизу направляющей. Доски имеют прямоугольное поперечное сечение, где толщина в направлении стенки мала. Фиксирующие доски обычно размещают на обеих сторонах стены рамы. Доски могут быть прибиты гвоздями или навинчены на вертикальные шпильки, препятствующие выпучиванию шпилек в их слабом направлении. Горизонтальные промежуточные шпильки также могут использоваться для предотвращения выпучивания вертикальных шпилек. Если в качестве диафрагм следует использовать стены из легкой рамы, то шпильки должны иметь толщину не менее 45 мм. Обычно шпильки размещаются с шагом 600 мм. Более высокая жесткость и вертикальная несущая способность могут быть получены при меньшем расстоянии между вертикальными шпильками.

Так как вертикальные шпильки не могут изгибаться в их слабом направлении, несущая способность определяется относительно продольного изгиба в их сильном направлении. Грузоподъемность стен легких рам из дерева рассчитывается с предположением, что только шпильки выдерживают нормальные напряжения и изгибающие моменты.

При проектировании напольных конструкций в системах с легкими рамами акустические характеристики обычно являются решающими. В этом случае необходимо ограничить длину пола.

В систему панелей из массивной древесины входят несущие стены и элементы пола. Часто используется кросс-ламинированная древесина. Подобные панели сегодня широко распространены в Германии, Австрии и Швейцарии. При использовании панелей из массивной древесины в районах с более холодным климатом, например, в скандинавских странах, стены из цельной древесины часто дополняются легкими рамами, создающими дополнительную теплоизоляцию и обеспечивающими надлежащие тепловые характеристики.

Системы панелей из массивной древесины хорошо подходят для зданий с высокими требованиями к несущей способности и звукоизоляции, например, многоэтажные жилые здания. При использовании сплошных деревянных стен и полов может быть достигнута высокая несущая способность, что обеспечивает более длинные пролеты и лучшую стабилизацию по сравнению с системами панелей с легкими рамами. Другим преимуществом является то, что стены и полы здания при данной системе могут быть построены в кратчайшие сроки.

Сегодня элементы пола в панелях из массивной древесины могут быть размерами около 12 метров. Для офисов и школ, которые иногда требуют более длинных пролетов, система панелей из массивной древесины может быть объединена с внутренними балками и колоннами, расположенными по осям.

Шведский производитель деревянных компонентов Martinson производит систему под названием CLT (cross-laminated timber), состоящий из кросс-ламинированных деревянных элементов. Сегодня Martinson может проектировать здания с CLT до восьми этажей. Максимальный пролет для этажей составляет 12 метров в жилых зданиях.

CLT (Cross Laminated Timber) панели представляют собой деревянные панели, состоящие из слоев перекрестно-расположенных пиломатериалов хвойных и лиственных пород, которые проклеиваются не содержащим формальдегида клеем и прессуются под высоким давлением (порядка 6кг/см2). Для изготовления 1 м3 CLT-панелей необходимо 3 м3 древесины [1].

Конструкции из CLT-панелей имеют множество значимых характеристик, которые не реализуются в традиционном строительстве из дерева.



Рис. 5.4. CLT (cross-laminated timber) панели

За счет большой доли заводского изготовления процесс монтажа панелей занимает меньше времени и является менее трудозатратным. Требуется меньше специальных машин при возведении домов. Процесс аналогичен сборке детского конструктора, не считая масштаба. [2-3] Строительные проемы и отверстия в панелях создаются в процессе производства [4].

Также панели имеют сравнительно высокую огнестойкость. Пожалуй, это является самым актуальным вопросом, ведь в нашем представлении дерево – легкогорючий материал. Но только в чистом виде. Применение современных технологий позволяет повысить степень огнестойкости до необходимого уровня. [5-6] При испытании CLT-панелей на огнестойкость были получены следующие значения скорости обугливания:

 0,67 мм/мин только для наружных слоев;

 0,76 мм/мин для других слоев;

Данные показатели обусловлены в основном многослойностью панелей, то есть чем больше слоев, тем выше предел огнестойкости конструкции (REI 30 – REI 120). [7].

Помимо этого, панели имеют высокую несущую способность. Перекрестное расположение слоев панелей обуславливает практически равную прочность в продольном и поперечном направлениях.

При проведенных испытаниях на несущую способность панели толщиной 60 мм выдерживает давлении 150 т, толщиной 250 мм – 500 т. [8].

Также панели имеют небольшой вес. Поэтому высокая несущая способность и легкий удельный вес панелей упрощает процесс монтажа, уменьшает собственный вес здания, а также позволяет применять самые разнообразные архитектурные решения. [9]

За счет большого значения прочности по отношению к удельному весу здания, построенного с применением CLT панелей, снижается влияние сейсмического воздействия.

Ну и в конце стоит отметь, что возможен большой выбор размеров изготавливаемой продукции. [10] В зависимости от создаваемой конструкции и количества слоев CLT плиты изготавливают:

 по ширине от 1,25 м до 3,5 м;

 по толщине от 6 см до 40 см;

 по длине до 24 м.

Модульные системы

Модульные системы состоят из сборных модулей, которые собираются друг над другом на строительной площадке. Сборные модули обеспечивают быструю сборку конструкции, но выбор транспортировки приводит к ограничению размеров модулей. Обычно модуль имеет длину 8-13 метров, ширину 4,1-4,2 метра и высоту 3,10 метра.

Модульные системы не допускают длинных пролетов, поскольку размер модулей ограничены и отсутствует возможность удаления внутренних стенок, что в противном случае приведет к потере жесткости самого модуля. Поэтому данная система подходит для корпусов, общежитий и гостиниц, поскольку эти типы зданий обычно не требуют больших открытых площадей. Сегодня можно строить дома с модульными системами до семи этажей. Однако в Бергене, Норвегия, строится 14-этажное здание с этой системой.



Рис. 5.5. Технология возведения модульного дома

Модульные системы могут быть подразделены на две различные структурные системы; модульные системы с легкими рамами и модульные системы из массивной древесины. Модульные системы из массивной древесины более устойчивы, поскольку внутренние диафрагмы более жесткие. Другим преимуществом является то, что массивная древесина имеет более высокий собственный вес, что обеспечивает меньшую связь между этажами.

Компания, которая строит модульные системы в Швеции, — это Setra. Модули обычно представляют собой одну комнату и часто снабжаются готовым полом, сушилками, кухней и ванной, когда они доставляются на строительную площадку.

Стоечно-балочная система

Принцип данной системы заключается в том, что вертикальные нагрузки оказывают сопротивление колонам и балкам. Такая система обычно используется, когда требуются открытые пространства, что является обычным явлением для коммерческих зданий и офисных зданий. Для пролетов до 80 метров можно использовать балки из Glulam. Подобные балки, используются для пролетов около 80 метров в сооружениях с большим пространством, например, арены, бассейны или спортивные комплексы. В данных случаях балки могут иметь большие поперечные сечения.

В школах и офисных зданиях часто используется комбинация панелей из массивной древесины и балочных систем. Если требуются открытые пространства, диафрагмы могут быть размещены на фасаде или на лестничных клетках и шахтах лифта. Общая высота напольной конструкции с этажным расположением элементов, т, е. с опиранием их непосредственно на главные элементы сверху, в большинстве случаев выше, чем конструкция с расположением пола в одном уровне с главными балками. Это связано с тем, что элементы пола располагаются обычно над балками, если используются этажная схема расположения элементов. Или же балки могут быть соединены с элементом пола в соответствии с рисунком 5.6. Также можно использовать клееные балки, это позволит сделать балки более широкими, что прибавит еще немного свободного пространства в помещении.



Рис. 5.6. Пример расположения балки, (а) обычный случай расположения балки, (б) балка, расположенная в уровень с полом.

Если деревянные элементы нагружать параллельно волокнам, то деформации относительно малы по сравнению с деформациями при загрузке перпендикулярно волокнам. Обычно элементы Glulam не требуют дополнительного покрытия для пожарной безопасности. Кроме того, Glulam обладает высокой несущей способностью по сравнению с другими лесоматериалами. Поэтому древесина может быть хорошим решением для колонн.
Можно отметить, что возможен вариант внедрения древесины не в значительной степени, и возможно использовать в зданиях другого назначения, где важна больше архитектурная или дизайнерская составляющая, нежели простор площадей.

Главным преимуществом является возможность строительства данных зданий при дефиците традиционных материалом. А это позволит уменьшить дополнительные затраты на доставку и возведения зданий из традиционных материалов в отдаленных районах. Поэтому рекомендуется использовать данный вариант строительства в районах с дефицитом стали и бетона.

В заключении исследований данного вида строительства, стоит обратить особое внимание на то, чтобы инженеры, которые возможно будут реализовывать данные проекты, не забывали о возникновении проблем при объединении несущих элементов из различных материалов. Это будет также полезным для участников проекта на начальных этапах в совместной деятельности таких как: заказчик, архитекторы, инженера, строители.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Шлямин В.А., Тюрин А.Е. Домостроение – локомотив модернизации лесопромышленного комплекса финляндии // Лесной вестник, 2015. №1. С. 215-223.

2. Ruuska А. Häkkinen T. Efficiency in the delivery of multi-story timber buildings. Energy Procedia 96. 2016.pp. 190 – 201.

3. Polastri a. Инновационные узлы соединения clt-панелей для быстровозводимых домов //Оборудование и инструмент для профессионалов: деревообработка. 2015. №3. с 18-20.

4. Векилян М.О., Андина А.Ю., Школина С.Ю. Небоскребы из дерева // Новые технологии в учебном процессе и производстве. Материалы XIV Межвузовской научно-технической конференции, посвященной 60-летию института. Изд-во ООО «Рязанский Издательско-Полиграфический Дом «ПервопечатникЪ», 2016. С. 112-115.

5. Арцыбашева О.В., Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Современные тенденции в области огнестойкости деревянных зданий и сооружений// Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 8(145). С. 178-196.

6. Hadden R.M., Bartlett A.I., Hidalgo J.P., Santamaria S., Wiesner F., Bisby L.A., Deeny S., Lane B. Effects of exposed cross laminated timber on compartment fire dynamics. Fire Safety Journal. 2017. Volume 91. pp. 480-489.

7. Трейбакс Е.А. Использование уникальных свойств клееных деревянных панелей clt в строительстве общественных зданий// Инновации в науке. 2017. № 10(71). С. 68-69.

8. Бударина. Р. Завоюют ли CLTпанели российский рынок?// ЛесПромИнформ. 2012. № 1(83).

9. Бойтемирова И.Н., Давыдова Е.А. CLT-панели – эффективный материал из древесины для несущих и ограждающих конструкций зданий // Вестник научных конференций. 2016. №12-1(16). С.18-21.

10. Александрова Н.И. «В ногу со временем» – clt-панели// Сборник материалов II Международной научно-практической конференции. 2017(Научные исследования: теория, методика и практика Чебоксары, 27 августа 2017 г.). 2017. С. 203-204.

ЮЗГУ-ВКР-