Чи можна використовувати брус для багатоповерхівок?

вступ

Дерево протягом тисячоліть було важливим будівельним матеріалом, цінним за його доступність, придатність до роботи та природну естетику. Традиційно його використання обмежувалося малоповерховими конструкціями через обмеження міцності та стійкості до факторів зовнішнього середовища. Однак поява технічних виробів з деревини та сучасних будівельних технологій революціонізувала потенційні застосування деревини. Актуальне питання для архітекторів, інженерів і будівельників сьогодні: чи можна використовувати деревину для будівництва висотних будівель? У цій статті розглядається доцільність використання деревини як основного матеріалу у багатоповерховому будівництві, досліджуються досягнення в технології деревини, структурні міркування, нормативні проблеми та інтеграція додаткових систем, таких як Сталева опалубка будівельних конструкцій.

Історична перспектива деревини в будівництві

Протягом історії деревина була наріжним каменем будівництва в різних культурах. Від традиційних японських пагод, які століттями витримували землетруси, до європейських дерев’яних будинків, деревина продемонструвала надзвичайну стійкість при правильному використанні. Ці історичні споруди демонструють довговічність і довговічність деревини, якщо вони спроектовані та обслуговуються належним чином. Однак обмеження традиційної деревини, такі як сприйнятливість до вогню, гниття та обмежена структурна здатність, історично обмежували її використання у висотних будівлях.

Досягнення в технології деревини

21-е століття стало свідком значного прогресу в технології деревини, зокрема з розвитком інженерних виробів з деревини. Ці інновації усувають традиційні обмеження деревини, підвищуючи її структурні можливості та розширюючи її придатність для великих і високих конструкцій.

Клеєна деревина (CLT)

Cross-Laminated Timber — це революційний продукт, що складається з кількох шарів суцільнорозпиляних дощок, укладених хрест-навхрест і скріплених між собою конструкційним клеєм. Це перехресне ламінування забезпечує стабільність розмірів, міцність і жорсткість, що робить панелі CLT ідеальними для стін, підлог і дахів як у житлових, так і в комерційних будівлях. Дослідження показали, що панелі CLT демонструють чудові сейсмічні характеристики завдяки своїй легкій вазі та гнучкості, що робить їх придатними для використання в сейсмонебезпечних регіонах.

Теплові характеристики CLT є ще однією значною перевагою. Природні ізоляційні властивості деревини сприяють будівництву з енергоефективністю, зменшуючи витрати на опалення та охолодження. Крім того, панелі CLT можна з високою точністю виготовляти за межами підприємства, що скорочує час будівництва та витрати на оплату праці.

Клеєний брус (клеєний брус)

Клеєний ламінований брус, широко відомий як клеєний брус, — це оброблений дерев’яний виріб, що складається з кількох шарів пиломатеріалів певного розміру, скріплених між собою міцними, вологостійкими клеями. Балки з клеєного бруса є універсальними та можуть бути виготовлені в різних формах і розмірах, включаючи криві та арки, пропонуючи архітекторам значну гнучкість дизайну. Високе співвідношення міцності і ваги клеєного бруса дозволяє створювати більші прольоти без проміжних опор, що є перевагою в конструкціях відкритого планування, які часто зустрічаються в сучасних багатоповерхових будинках.

Дослідження показують, що клеєні балки можуть досягати міцності, порівнянної або навіть перевищуючої міцність сталі, якщо виміряти міцність на одиницю ваги. Це робить клеєний брус привабливим варіантом для конструктивних елементів у багатоповерховому будівництві, особливо в поєднанні з іншими матеріалами в гібридних системах.

Структурні властивості та продуктивність

Життєздатність деревини у багатоповерхових будинках залежить від її конструктивних характеристик за різних навантажень і умов. Основні властивості включають міцність, жорсткість, вогнестійкість і довговічність.

Міцність і Жорсткість

Вироби з деревини мають покращені механічні властивості завдяки зменшенню природних дефектів. Такі дефекти, як сучки та нерівна зернистість, зводяться до мінімуму в процесі виробництва, що забезпечує більш рівномірну та передбачувану продуктивність. Сучасні методи класифікації міцності, включаючи оцінку напруги машини та акустичну оцінку, забезпечують відповідність дерев’яних компонентів суворим стандартам.

Дослідження показали, що CLT і клеєний брус можуть ефективно витримувати навантаження, пов'язані з висотними будинками. Наприклад, дослідження, опубліковане в Journal of Structural Engineering, підкреслило, що панелі CLT демонструють високу міцність у площині та поза площиною, що робить їх придатними для несучих стін і діафрагм у багатоповерхових конструкціях.

Вогнестійкість

Всупереч поширеній думці, деревина може добре працювати в умовах пожежі завдяки своїй передбачуваній поведінці при обвуглюванні. Під час дії вогню на поверхні утворюється шар вугілля, який ізолює внутрішню частину деревини та сповільнює швидкість горіння. Ця характеристика дозволяє великим дерев’яним елементам зберігати структурну цілісність довше, ніж незахищеній сталі, яка може швидко втрачати міцність при високих температурах.

Вогнестійкість можна додатково підвищити за допомогою стратегій проектування, таких як збільшення конструктивних елементів для врахування обвуглювання або застосування вогнезахисних засобів. Відповідність протипожежним нормам досягається шляхом проведення випробувань на вогнестійкість і дотримання приписних вимог до проектування, викладених у будівельних нормах.

Довговічність і стійкість до навколишнього середовища

На довговічність деревини впливають такі фактори, як вологість, комахи та грибки. Вироби з інженерної деревини виготовляються в контрольованих умовах, що знижує вміст вологи та пригнічує ріст мікроорганізмів, що розкладаються. Захисні покриття та консерванти можуть підвищити стійкість до факторів зовнішнього середовища, подовжуючи термін служби дерев’яних конструкцій.

Крім того, правильна деталізація конструкції, наприклад, включення достатньої вентиляції та уникнення водяних пасток, має вирішальне значення для запобігання проблемам, пов’язаним із вологістю. Використання бар’єрів від вологи та контрольованих дренажних систем додатково захищає дерев’яні компоненти у висотних будинках.

Приклади висотних дерев’яних будівель

Кілька піонерських проектів у всьому світі успішно використовували деревину у висотному будівництві, демонструючи її доцільність і переваги.

Mjøstårnet, Норвегія

Mjøstårnet висотою 85,4 метри — це 18-поверхова багатофункціональна будівля в Брумунддалі, Норвегія, будівництво якої було завершено у 2019 році. Це одна з найвищих дерев’яних будівель у світі. У структурі використовуються колони та балки з клеєного бруса, стіни та підлоги з CLT, що демонструє можливості деревини в контексті висотних будівель. Будівля відповідає всім конструктивним вимогам і вимогам пожежної безпеки, включаючи спринклерні системи та стратегічно розміщені вогнестійкі матеріали.

HoHo Tower, Австрія

Вежа HoHo Tower у Відні – це 24-поверхова будівля висотою 84 метри, завершена у 2019 році. Завдяки гібридній системі будівництва вона поєднує деревину з бетоном для оптимізації продуктивності. Приблизно 75% конструкції складається з дерева, що значно зменшує вуглецевий слід будівлі. Використання готових дерев’яних модулів дозволило швидко зводити приміщення, зводячи один поверх кожні шість днів.

Brock Commons Tallwood House, Канада

Brock Commons Tallwood House, розташований в Університеті Британської Колумбії, — це 18-поверхова студентська резиденція, будівництво якої було завершено в 2017 році. У будівлі використовується гібридна система з плитами перекриття CLT і колонами з клеєного бруса, що підтримується бетонним стрижнем для поперечної стійкості. Процес будівництва був надзвичайно швидким, дерев’яна конструкція була зведена лише за 70 днів. Проект продемонстрував значне скорочення викидів парникових газів порівняно з традиційним бетонним будівництвом.

Виклики та обмеження

Незважаючи на прогрес і успішні проекти, необхідно вирішити кілька проблем, щоб повністю реалізувати потенціал деревини у висотному будівництві.

Регуляторні перешкоди

Будівельні норми та правила можуть створити значні проблеми, оскільки багато з них були розроблені з урахуванням традиційних матеріалів і можуть не враховувати інноваційні технології деревини. Відсутність стандартизованих інструкцій для дерев’яних багатоповерхових будинків потребує узгодження конкретних проектів, що може зайняти багато часу та коштувати. Тривають спроби оновити норми, наприклад, Міжнародні будівельні норми включають вищі масивні дерев’яні будівлі, але широке впровадження відбувається поступово.

Сприйняття та прийняття ринком

Часто існує скептицизм щодо характеристик деревини, особливо щодо пожежної безпеки та довговічності. Розповідати зацікавленим сторонам про властивості обробленої деревини та результати наукових досліджень є надзвичайно важливим. Демонстрація успішних тематичних досліджень і надання прозорих даних може допомогти змінити сприйняття та сприяти більш широкому визнанню в галузі.

Ланцюг постачання та доступність матеріалів

Наявність високоякісних виробів з деревини залежить від добре розвиненого ланцюга постачання. У регіонах, де такі галузі не створені, пошук матеріалів може бути складним завданням. Інвестиції в місцеві виробничі потужності та підготовку кваліфікованої робочої сили необхідні для підтримки зростання дерев’яного багатоповерхового будівництва.

Інтеграція зі сталевою опалубкою будівельних конструкцій

Будівництво висотних будинків часто виграє від гібридного підходу, поєднуючи деревину з іншими матеріалами, такими як сталь і бетон. Використання Сталева опалубка будівельних конструкцій є невід’ємною частиною цього процесу. Сталева опалубка забезпечує необхідну опору для заливки бетонних компонентів, таких як стрижні та фундаменти, які доповнюють дерев’яну конструкцію.

Переваги сталевої опалубки в дерев'яних будівлях

Сталева опалубка забезпечує міцність, довговічність і точність, необхідні для високоякісного бетонного покриття та цілісності конструкції. Його модульний характер забезпечує гнучкість конструкції та ефективне збирання та розбирання. При будівництві гібридних будівель сталева опалубка забезпечує точне формування бетонних елементів, які бездоганно з’єднуються з дерев’яними компонентами.

Наприклад, використання сталевої опалубки для формування бетонних стрижнів підвищує поперечну стійкість будівлі, що особливо важливо для висотних конструкцій, які піддаються вітру та сейсмічним силам. Поєднання легких властивостей деревини з масою та жорсткістю бетону забезпечує оптимізовану конструкцію.

Практичний приклад: гібридні будівельні методи

У будівництві Brock Commons Tallwood House інтеграція деревини з бетоном і сталлю була ключовою. Бетонні ядра були побудовані з використанням передових систем сталевої опалубки, що забезпечує точність і структурну міцність. Потім було ефективно встановлено дерев’яні підлоги та колони, використовуючи швидкість збірних дерев’яних компонентів.

Співпраця між різними будівельними системами підкреслює важливість сталевої опалубки для досягнення необхідних допусків і вирівнювання, необхідних у висотних будівлях. Це також демонструє, як Сталева опалубка будівельних конструкцій сприяє успішній інтеграції деревини та бетону.

Екологічні та економічні міркування

Екологічні переваги використання деревини в будівництві значні. Деревина є відновлюваним ресурсом, а ліси, що використовуються в раціональному управлінні, можуть поглинати вуглекислий газ з атмосфери. Дерев’яні будівлі діють як накопичувачі вуглецю, блокуючи вуглець протягом усього терміну служби конструкції.

Зменшення викидів вуглецю

Дослідження оцінки життєвого циклу показали, що дерев’яні будівлі можуть мати значно нижчий вуглецевий слід порівняно з будівлями, побудованими зі звичайних матеріалів. Виробництво сталі та бетону є енергоємним і створює значні викиди парникових газів. Заміна цих матеріалів деревиною, де це можливо, може сприяти глобальним зусиллям із пом’якшення кліматичних змін.

Економічна ефективність

Попереднє виготовлення дерев’яних компонентів прискорює будівництво та зменшує витрати на оплату праці. Точне виробництво в контрольованому середовищі мінімізує відходи та покращує якість. Коротші графіки будівництва зменшують витрати на фінансування та дозволяють раннє заселення, підвищуючи загальну економічну життєздатність проекту.

Крім того, менша вага дерев’яних конструкцій може зменшити вимоги до фундаменту, що призведе до економії коштів, особливо на ділянках із поганими умовами ґрунту. Легкість модифікації та адаптивність дерев’яних будівель також може подовжити термін їх служби, забезпечуючи довгострокові економічні вигоди.

Перспективи майбутнього та інновації

Майбутнє використання деревини у висотному будівництві виглядає багатообіцяючим, оскільки тривають дослідження та технологічні розробки, спрямовані на подолання існуючих проблем. Інновації в матеріалознавстві, такі як розробка модифікованих виробів з деревини з покращеними властивостями, розширюють можливості використання деревини.

Технологічні досягнення

Сучасні технології, такі як гібридні дерев’яні композити та наноцелюлозні матеріали, пропонують покращену міцність, довговічність і вогнестійкість. Інструменти цифрового проектування та інформаційне моделювання будівель (BIM) полегшують планування та координацію складних дерев’яних конструкцій, зменшуючи помилки та оптимізуючи використання ресурсів.

Політика та стандартизація

Зусилля щодо оновлення будівельних норм та розробки міжнародних стандартів дерев’яного висотного будівництва набирають обертів. Співпраця між галузевими зацікавленими сторонами, дослідниками та регуляторними органами має важливе значення для встановлення керівних принципів, які забезпечують безпеку та сприяють інноваціям.

Освіта та навчання

Інвестиції в освітні та навчальні програми для архітекторів, інженерів і будівельників є надзвичайно важливими. Покращення знань і навичок, пов’язаних із проектуванням і будівництвом з деревини, сприятиме розвитку галузі та заохочуватиме впровадження передового досвіду.

Висновок

Підсумовуючи, деревина стала життєздатним матеріалом для багатоповерхового будівництва завдяки значному прогресу в конструкціях дерев’яних виробів і будівельних технологій. Незважаючи на те, що проблеми залишаються, зокрема щодо нормативно-правової бази та сприйняття ринком, успішні проекти в усьому світі демонструють потенціал деревини. Інтеграція взаємодоповнюючих систем, таких як Сталева опалубка для будівельних конструкцій підвищує ефективність будівництва та конструктивні характеристики.

Екологічні та економічні переваги деревини в поєднанні з її експлуатаційними можливостями роблять її привабливим варіантом для сталого розвитку міст. Оскільки галузь продовжує впроваджувати інновації та вирішувати існуючі проблеми, деревина готова зіграти значну роль у формуванні обрисів майбутнього.