Что нужно знать при проектировании многоэтажных деревянных зданий в Чехии

Может ли кто-нибудь рассказать, что делается в Украине для развития среднего и многоэтажного деревянного домостроения? М.П.

На фото: многоэтажное здание из дерева и бетона.

В настоящее время мы всё чаще сталкиваемся с необходимостью строительства многоэтажных деревянных зданий, где доминирующим материалом являются древесина и древесные материалы. Это обусловлено тем, что новые древесные материалы предлагают альтернативный метод строительства с большими экологическими преимуществами. Это также стало возможным благодаря углублению знаний в области проектирования конструктивных систем многоэтажных деревянных зданий, особенно с точки зрения их несущей способности, жёсткости и огнестойкости.

1. Введение

Многоэтажные деревянные здания требуют комплексного подхода к вопросам, связанным с их реализацией. При проектировании многоэтажного деревянного здания все его элементы, включая фасад и конструктивные детали, должны быть учтены с самого начала процесса проектирования. Ни одна часть здания не может и не должна проектироваться изолированно от других. Отсутствие должной координации в проектировании может нарушить баланс конструктивного решения с точки зрения стоимости, осуществимости, эксплуатационных свойств и рыночной конкурентоспособности. Что касается возможного объема, данный доклад в первую очередь сосредоточен на конструктивных системах многоэтажных деревянных зданий, которые являются наиболее важными для их возможной реализации.

2. Выбор конструктивной системы

По сути, существует три варианта подхода к выбору конструктивной системы многоэтажного деревянного здания:

1. Следуйте системе строительства и подчиняйте архитектурное решение этой системе.
2. Следуйте архитектурному проекту, а затем используйте соответствующую строительную систему.
3. Большинство инвесторов, архитекторов и инженеров-строителей склонны выбирать комбинацию двух предыдущих подходов и стараются сохранить баланс между архитектурой и конструктивным решением деревянного здания.

Крайне важно выбрать тип здания, подходящий для предполагаемого использования многоэтажного деревянного здания. Например, особенности деревянной конструкции могут диктовать оптимальное расстояние между колоннами и высоту балок, что определит высоту и, возможно, гибкость общей конструкции. Однако ядро высотного деревянного здания, которое, вероятно, будет основным элементом, воспринимающим горизонтальные нагрузки, должно быть сплошным по всей высоте для обеспечения его надлежащего функционирования. С другой стороны, добавление дополнительных внутренних усиливающих стен может быть проблематичным с точки зрения удобства эксплуатации. В этих случаях более предпочтительными могут оказаться другие методы передачи горизонтальной нагрузки, например, усиление стен и каркасов по периметру. Для высотных зданий любой конструкции и из любого материала требуется, чтобы колонны располагались непрерывно по всей высоте, если это возможно. Некоторые планировки здания с различным назначением могут потребовать изменения размеров пролетов для размещения больших пространств без помех, обычно в виде колонн. Хотя это, как правило, возможно, это может стать дорогостоящей и сложной задачей. По возможности пространства с большими пролетами следует располагать на верхних этажах многоэтажного деревянного здания, чтобы максимально оптимизировать передачу вертикальной нагрузки.

3. Обеспечение жесткости конструктивной системы

Выбор конструктивной системы во многом зависит от веса многоэтажной деревянной конструкции, который существенно влияет на её конструкцию. Её общие пропорции (длина, ширина и высота) влияют на её устойчивость и влияют на решение проблемы сопротивления горизонтальным нагрузкам. Более высокие горизонтальные нагрузки, вызванные ветровыми нагрузками или увеличенной высотой, предъявляют более высокие требования к конструктивной системе и могут увеличить потребность в усилении стен, каркасов или диагональных связей. Сопротивление горизонтальным нагрузкам может представлять собой серьёзную проблему для гибкости и функциональности конструкции и поэтому должно быть рассмотрено на начальном этапе изучения местоположения деревянной конструкции, её архитектурной формы и концепции фундамента, а также бюджета. В статье описываются пять способов обеспечения поперечной жёсткости многоэтажной деревянной конструкции. Использование вертикальных сердечников, периметральных армирующих стен, внутренних армирующих стен, каркасов и диагональных связей. Конечно, на практике также широко используются их комбинации.

3.1 Армирующий сердечник

Использование арматурного сердечника для обеспечения сопротивления боковым нагрузкам типично для большинства многоэтажных зданий, а следовательно, и для многоэтажных деревянных зданий. В некоторых случаях, в зависимости от общей высоты, массы и требований к ветровой нагрузке, для усиления многоэтажных деревянных зданий потребуется только сердечник в центре. Использование сердечника только в центре деревянной конструкции предоставляет проектировщикам большую свободу в планировании её компоновки и внесения корректировок в ходе проектирования. В зависимости от требований строительных органов, сердечники могут быть изготовлены из массивных деревянных панелей, бетона или специальных каркасов.

Армирующий сердечник из массива дерева

Решение об использовании цельнодеревянного сердечника необходимо принять на самых ранних этапах проектирования деревянного здания. Такая стратегия была применена, например, при строительстве Центра инноваций и дизайна в области древесины (WIDC) в Принс-Джордже, Британская Колумбия, см. рис. 1.

Рис. 1 Модель здания WIDC с сердцевиной из CLT-панелей

Однако при проектировании деревянного сердечника архитекторам следует тщательно продумать конструкцию, учитывая особенности конструкции. Дверные проёмы в сердечнике могут быть довольно ограниченными и зависят от достаточной длины панелей для достижения необходимой прочности и жёсткости сердечника. Цельнодеревянный сердечник может оказаться выгодным вариантом, если другие вертикальные элементы конструкции здания также выполнены из дерева. Главные преимущества деревянного сердечника — возможность заводского изготовления, использование одного типа материала и, в большинстве случаев, скорость сборки.

Армирование бетонного сердечника

Традиционно наиболее распространенным является бетонное ядро или ядра, которые обычно располагаются симметрично в плане деревянной конструкции (см. рис. 2). Величина горизонтальных нагрузок влияет на решение о расположении ядра (ядер) и любых дополнительных усиливающих стенок. Центрально расположенные ядра, как правило, более эффективны при увеличении нагрузки и представляют собой наиболее простое решение, позволяющее избежать проблем с скручиванием здания при сильных ветровых нагрузках.

Рис. 2. Конструкция деревянной конструкции с бетонными арматурными стержнями

3.2 Периметральные армирующие и несущие стены

Усиление деревянного здания по периметру должно решаться с учётом конструкции наружных ограждающих конструкций и, как правило, приводит к ухудшению их светопропускания. Усиление стен по периметру также требует тщательного согласования с архитектурным проектом. Вероятно, более «массивный» вид деревянного здания с наружным усилением будет отвечать растущим требованиям к энергоэффективности наружных ограждающих конструкций и расширению возможностей теплоизоляции наружных стен.

3.3 Внутренние армирующие и несущие стены

Внутренние армированные стены представляют собой разумное решение для усиления деревянных зданий с фиксированной планировкой этажей, где размещение стен может быть скоординировано и не требуется никакой гибкости в будущем, включая демонтаж этих стен, см. рис. 3.

Рис. 3 Деревянная конструкция с усиливающими и несущими стенами из CLT-панелей

Метод внутренних стен жёсткости, как правило, лучше всего подходит для жилых зданий и менее эффективен для зданий иного назначения, таких как офисы, школы и т.д. Однако даже в некоторых жилых зданиях внутренние стены жёсткости могут ограничивать гибкость планировки и возможность внесения изменений на поздних этапах проектирования или после завершения строительства. Это может иметь место, например, в случае с рыночным жильём, где некоторые застройщики полагаются на определённую гибкость планировки. Как уже упоминалось, внутренние стены жёсткости нецелесообразны для большинства офисных, институциональных или школьных зданий, где ремонтные работы, например, связанные со сменой арендатора в будущем, будут ограничены структурной планировкой.

3.4 Армирующие каркасы

Деревянные каркасы, способные передавать горизонтальные нагрузки, предъявляют очень высокие требования к многоэтажным деревянным зданиям, и пока не известны примеры их реализации. При необходимости используются только стальные каркасы.

3.5 Диагональные связи

Диагональные связи (рис. 4 и рис. 5) применяются преимущественно в тяжёлых деревянных каркасах. Поскольку в этом случае элементы соединяются встык, в большинстве случаев целесообразно использовать закладные стальные листы (в плотницкой терминологии – так называемое «бритвенное соединение»), см. рис. 4, обладающее высокой огнестойкостью.

Рис. 4. Стык с использованием вставных стальных листов

Рис. 5. Конструкция массивной деревянной рамы с диагональными связями

4. Дизайн потолков и стен

При проектировании многоэтажного деревянного здания необходимо также учитывать расположение различных распределительных систем между этажами, в потолках и стенах. Многие конструктивные системы имеют определённую «направленную» компоновку. Из-за ориентации панелей и балок конструктивная система предопределяет основное направление распределения, что может вызывать определённые проблемы. Например, когда панели и балки расположены в шахматном порядке для достижения большей жёсткости потолка. В таком случае решение часто требует использования подвесных потолков в некоторых частях деревянного здания. В целом, подвесные потолки решают множество проблем, включая акустику и пожаробезопасность. Однако в деревянных зданиях они часто потенциально менее желательны, поскольку архитекторы предпочитают, чтобы деревянная конструкция была видна. Однако интеграция распределительных систем непосредственно в конструктивные элементы является дорогостоящим и сложно координируемым решением для многоэтажных деревянных зданий.

5. Системы противопожарной защиты

С увеличением высоты деревянной конструкции требуется установка спринклерной системы. Расположение спринклеров следует учитывать при проектировании конструктивной системы. Кроме того, необходимо обеспечить огнестойкость несущей конструкции, что в большинстве случаев требует инкапсуляции. Инкапсуляция обеспечивается достаточной толщиной гипсокартонных листов или других подобных материалов, чтобы предотвратить или ограничить обугливание древесины во время пожара и, в особенности, ограничить скорость его распространения. На рис. 6 показана возможная реализация многоэтажной гибридной деревянной конструкции с использованием бетона.

Рис. 6 Возможный проект многоэтажного деревянного здания

6. Заключение

В случае многоэтажных деревянных зданий важно помнить, что их жёсткость, огнестойкость и акустика играют ключевую роль. Планировка многоэтажного деревянного здания в первую очередь зависит от жёсткости.

В настоящее время строительство многоэтажных деревянных зданий в нашей стране нормативно: допускается до пожарной высоты (от пола первого этажа до пола последнего) 12 м. Для этих деревянных зданий пока можно ограничиться конструкцией на основе лёгкого деревянного каркаса. Однако с увеличением высоты деревянных зданий потребуется применение массивных панельных конструктивных систем (см. рис. 3 и рис. 6), а также конструктивных систем на основе тяжёлого деревянного каркаса (см. рис. 4 и рис. 5).

В настоящее время всё больше деревянных зданий проектируется по принципу оптимального сочетания древесины с другими конструктивными материалами – бетоном и сталью. Первый этаж деревянных зданий обычно выполняется из железобетона, см. рис. 2 и рис. 6.

Для обеспечения жесткости перекрытий в многоэтажных деревянных зданиях применяются композитные дерево-бетонные конструкции перекрытий, для которых уже разработан европейский технический стандарт, введенный в нашей стране как ČSN P CEN/TS 19103. Перспективным представляется также использование несущих каркасных систем из железобетона с периметральными и внутренними стенами на основе легкого деревянного каркаса, например, в виде системы TiCo, разработанной в Университетском центре энергоэффективных зданий Чешского технического университета в Праге.

Стоит отметить, что с 2022 года в Чешском государственном университете CEEB в Праге реализуется аналитическая задача Чешского агентства по стандартизации под названием «Создание нормативных условий пожарной безопасности для более широкого использования древесины в строительстве». Целью этой задачи было содействие созданию лучших условий для строительства деревянных зданий в нашей стране, в том числе многоэтажных. При решении этой задачи рассматривалась возможность использования европейской и международной системы пожарной безопасности, а также соответствующих стандартов EN и ISO, которые уже действуют или вступят в силу в ближайшем будущем. В европейской системе используются классы пожарной безопасности строительных изделий и конструкций зданий, которые определяют эффективность облицовки (например, гипсокартонных плит) в защите материалов от воздействия огня, см. ČSN EN 13501-2. Определение эффективности их противопожарной защиты проводится путем испытаний с использованием стандарта ČSN EN 14135. Этому вопросу посвящен доклад под названием «Современное состояние технической стандартизации деревянных зданий», который является частью материалов данной конференции.

Спасибо

Данная статья подготовлена на основе знаний, полученных в рамках аналитического задания Чешского агентства по стандартизации «Создание нормативных условий пожарной безопасности для более широкого использования древесины в строительстве». Статья была представлена на конференции «Dřevostavby» на Волыни и после доработки опубликована на сайте TZB-info.

Литература

1. Куклик, П.: Деревянные конструкции, Прага 2005.
2. Караджабейли, Э., – Лум, Ч.: Техническое руководство по проектированию и строительству высотных зданий.
3. ČSN P CEN/TS 19103: Еврокод 5: Проектирование деревянных конструкций – Проектирование дерево-бетонных композитных конструкций – Общие правила и нормы для строительных конструкций, ČAS, Прага 2022.
4. ČSN EN 13501-2 Пожарная классификация строительных изделий и конструкций. Часть 2: Классификация на основе результатов испытаний на огнестойкость, за исключением оборудования для кондиционирования воздуха, ČAS, Прага 2017.
5. ČSN EN 14135 Настенные покрытия – Определение эффективности противопожарной защиты, ČNI, Прага 2005.