ГЛАВА 1
Исследование объемно-планировочных и конструктивных решений многоэтажных зданий из деревянных конструкций
Проведен анализ деревянных зданий средней этажности и многоэтажных, построенных в разных странах с 2008 года. Рассмотрены объемно-планировочные и конструктивные решения 15 деревянных зданий и комплексов. В ходе исследования были поставлены следующие задачи:
-выявить самые высокие здания, построенные с применением деревянных конструкций;
-определить характерную этажность зданий;
-изучить функциональный состав современных многоэтажных деревянных зданий;
-рассмотреть объемно-планировочные решения;
-определить конструктивную систему здания, наиболее часто применяемую в зданиях средней этажности и многоэтажных;
-особенности конструктивных деревянных элементов.
В данной главе выполнено исследование зданий, уже построенных за рубежом с использованием деревянных конструкций, исследованы их характеристики и особенности, какое положение на данный момент в России по строительству зданий с использованием деревянных конструкций, изучен вопрос пожарной безопасности, а также рассмотрены опыты, проведенные над CLT-панелями, и проанализированы научные статьи ученых и студентов других вузов.
Многоэтажное строительство из древесины в Российской Федерации существенно отстаёт от мировых тенденций развития этой отрасли. При этом по объёму запасов древесины наша страна – одна из самых богатых в мире, а деревянное зодчество всегда было и остаётся предметом национальной гордости. В данной главе приводится зарубежный опыт многоэтажного возведения зданий с использованием деревянных конструкций, рассматривается опыт деревянного строительства в России. Более того, анализируются причины, ограничивающие строительство многоэтажных деревянных зданий в России. Описываются достоинства деревянных многоэтажных зданий, а также перспективные технологии изготовления деревянных конструкций, позволяющие повысить их прочность и огнестойкость. Знакомство с зарубежным опытом, изучение актуальных российских нормативных документов и анализ различных дискуссий, проводимых в средствах массовой информации, позволяют заключить, что ограничения во внедрении многоэтажного деревянного домостроения в России во многом безосновательны.
C 2009 года в странах Европы и Северной Америки древесину начали использовать в качестве основного конструктивного материала в конструкциях многоэтажных жилых и общественных зданий. Конструктивными материалами выступают LVL – брус и CLT- панели, которые могут изготавливать из низкосортных пород леса и отходов лесопильного производства. Здания возводят, словно конструктор LEGO, что сокращает срок строительного процесса и минимизирует количество строительного мусора. Кроме того, использование LVL – бруса и CLT- панелей, обладающих малым весом, позволяет сократить расходы на логистику и фундамент, отказаться от дополнительной отделки, повысить энергосберегающие показатели (потребление 65 кВт/м2 в год, панельные – 170 кВт/м2), поддерживать комфортный микроклимат, снизить выбросы углекислого газа в атмосферу [35].
Первым из знаковых объектов такого типа рассмотрено14-ти этажное жилое здание из дерева, под названием «Treet» (рис. 1.1) , построенное в декабре 2015 г., это здание стало самым высоким деревянным зданием в мире, без учета фундамента срок возведения здания составил 15 месяцев.
Рис. 1.1 14-ти этажное деревянное здание в Норвегии в г. Берген. (Treet)
Объемно-планировочные решения: жилой комплекс, рассчитанный на 62 квартиры, из которых 11 однокомнатных и 51 трехкомнатная (рис. 1.2), кроме этого предусмотрена подземная парковка, спортивный зал, расположенный на 9-м этаже и две террасы с садовой мебелью, расположенные на 13-м и 14-м этажах, внешний дизайн сооружения отличается большими окнами и застекленными балконами. Высота здания составляет 49 м.
Рис. 1.2 План типового этажа. (Treet)
Конструктивные решения: в качестве несущих конструкций использовали ламинированный клееный брус (LVL), здание собирали как конструктор из 48 готовых деревянных модулей (сборные конструкции, состоящие из отдельных секций, которые производятся на заводах и поставляются на строительный объект в готовом виде), в которых уже была выполнена заранее коммуникационная система и внутренняя отделка, для защиты здания от осадков с восточной и западной сторон его покрыли металлическим сайдингом, вертикальную нагрузку несут клееные вертикальные деревянные фермы, колонны сечением 495х495 мм и 405х650 мм, раскосы 406х405 мм, из CLT панелей возведены лестницы, лестничные и лифтовые шахты, стены и перекрытия (рис. 1.3), период огнестойкости несущей системы составляет 90 минут, а вторичной 60 минут. К вторичной системе относятся ограждающие конструкции, воспринимающие нагрузку от собственного веса.
Рис. 1.3 конструктивная модель здания (Treet)
Вторым зданием рассмотрено деревянное 9-ти этажное здание, под названием «Stadthaus» (рис. 1.4), расположенное в Лондоне. Панели для данного здания состоят из переработанных отходов деревоперерабатывающей промышленности и их рисунок напоминает игру свето-тени создаваемую в течении дня окружающей застройкой и деревьями.
Одним из таких примеров получения панелей из переработанных отходов может служить вибролит. Вибролит изготавливают на основе мелких древесных отходов, таких как опилки и мелкая стружка. Технология его производства, разработанна Всесоюзным научно-исследовательским институтом новых строительных материалов, который располагался на территории СССР.
Рис. 1.4 9-ти этажное здание в Лондоне (Stadthaus)
Объемно-планировочные решения: в башне расположено 29 квартир с офисом на первом этаже. Заказчик требовал, чтобы для недорогих квартир был предусмотрен отдельный вход на первый этаж, в результате чего получился зеркальный план этажа с востока на запад (рис. 1.5), с идентичным входом в каждый аспект. Оба владения обслуживаются отдельной лестницей и лифтом. Пять верхних этажей предназначены для частной продажи, а три нижних этажа - для социального жилья. Большинство социального жилья состоит из семейных квартир, из которых открывается вид на игровую площадку в задней части здания.
Рис. 1.2.2 План типового этажа. (Stadthaus)
Конструктивные решения: Здание было построено с использованием системы структурных перекрестно-клееных деревянных CLT панелей. Фасад облицован 5000 панелями, 1200х230 мм на 70%. Несущие стены и плиты перекрытия, а также ядра лестниц и лифтов полностью выполнены из дерева.
Следующим рассмотренным зданием, является «Bridport House» (рис. 1.6). Строительство началось в октябре 2010 г., на возведение конструкций потребовалось лишь 12 недель, для этого здания на заводе в Австрии изготовили 1576 м3 панелей CLT, которые были привезены в Лондон и доставлены на площадку с уже прикрепленными теплоизоляционными плитами из натурального волокна, снаружи здание облицовано кирпичом. Все квартиры этого здания (41 квартира) предназначены для сдачи в социальную аренду. Проект здания отмечен рядом общественных премий, в том числе за экологически-ответственное строительство, в частности за минимизацию, так называемого углеродного следа*.
Согласно расчетам компаний Билматдиксон благодаря выбору в пользу деревянного здания, вместо бетонного, в древесине конструкций законсервированно 2113 тонн углекислоты.
______________________________________________________________________
*Углеродный след - это совокупность всех выбросов парниковых газов, произведённых прямо и косвенно отдельным человеком, организацией, мероприятием или продуктом. Парниковые газы, включая диоксид углерода, могут выбрасываться при расчистке земель, производстве и потреблении продуктов питания, топлива, производстве и использовании промышленных товаров, материалов, древесины, дорог, зданий, транспорта и различных услуг.
Рис. 1.6 8-ми этажное здание в Лондоне (Bridport House)
Объемно-планировочные решения: Здание состоит из двух и трех-спальных одноуровненвых и двухуровневых квартир. На первом этаже расположены квартиры с отдельными входами и имеют индивидуальные сады-патио (рис. 1.7).
Рис. 1.7 План типового этажа. (Bridport House)
Конструктивные решения: Жилое здание Бридпорт Хаус, построенный в 2010 году в восточной части Лондона, возведен из многослойных клееных деревянных панелей по технологии CLT (cross-laminated timber). Большие окна от пола до потолка обеспечивают хорошее естественное освещение в любое время года
Еще одним рассмотренным зданием является «Forte Building» (рис. 1.8), его деревянная конструкция была собрана за 38 дней, здание отвечает тем же стандартам шумоизоляции и огнестойкости, что и железобетонные. Использование древесных материалов вместо бетона позволило предотвратить выброс в атмосферу и законсервировать 1451 тонну углекислоты.
Рис. 1.8 10-ти этажное здание в Мельбурне (Forte Building)
Объемно-планировочные решения: Здание включает в себя 23 квартиры, среди которых: 7 однокомнатных квартир (59 м^2), 14 двухкомнатных (80 м^2) и 2 двухкомнатных пентхауса (102 м^2). План типового этажа представлен на рисунке 1.9
Рис. 1.9 План типового этажа. (Forte Building)
Конструктивные решения: на возведение здания пошло 759 панелей, фундамент и первый этаж выполнены из железобетона, это позволяет защитить деревянную конструкцию от атак термитов, все остальные элементы деревянные, стены изготовлены из 128 мм панелей, перекрытия из 146 мм панелей. Фасады отделаны алюминиевыми панелями. Плиты первого и второго этажей Forte были построены из геополимерного бетона (изготавливается из натуральных составляющих и абсолютно безопасен для человека и окружающей среды). Это произошло из-за того, что в торговых помещениях требовались большие пролеты, а также для того, чтобы древесина не касалась земли.
Последним рассмотренным зданием из деревянных конструкций, является комплекс «Via Cenni» (рис. 1.10), при проектировании этого комплекса были использованы наработки, применявшиеся в строительстве малоэтажных эко-поселений и современных энергоэффективных умных жилищ. Поэтому в Via Cenni сочетаются горизонтальная планировка коммуникаций таунхаусов с вертикальной городских многоэтажек, децентрализация жилых помещений и общее управление системами энергообеспечения и коммуникаций.
Для строительства было использовано 6000 куб. м перекрестно-клееной древесины разной толщины и количества слоев. Последнее - характерная особенность проекта, которую можно отнести на счет "итальянского дизайна". Деревянные высотки "холодной" Европы монтируются из стандартных готовых одинаковых по толщине панелей. Благодаря применению готовых деревянных модулей CLT Stora Enco удалось сократить время строительства на половину относительно традиционных методов и технологий. А вместе с этим, затраты на строительство и нагрузку на городскую среду. В результате проект оценен по энергоэффективности как "класс А", то есть высший. Экономия ресурсов при его эксплуатации составляет 70-80% при сохранении привычного уровня комфорта. Обеспечивается она не только пассивными средствами (теплоизоляция), но и активными - в системы вентиляции и обогрева включены тепловые машины, резервуарами тепла для которых служат грунтовые воды. Для полива и технических нужд комплекс оснащен системами сбора дождевой воды.
Рис. 1.10 9-ти этажное здание в Милане (Via Cenni)
Объемно-планировочные решения: четыре деревянные 9-этажки (высота 28 метров) объединены общим цокольным этажом и галереями, образуя единый комплекс Via Cenni с зеленым сквером в центре (рис. 1.11). Всего в комплексе 124 квартиры разной площади: 50, 75, 100 кв. м.
Рис. 1.11 План типового этажа. (Via Cenni)
Конструктивные решения: основание каждой башни состоит из CLT панелей - 13,5х19 м. Для теплой Италии важнее механические характеристики и скорее разнообразие, чем унификация в дизайне, поэтому в проекте Via Cenni понадобились панели CLT толщиной от 120 до 230 мм, трех, пяти и семислойные. Самые массивные семислойные 230 мм панели образуют горизонтальные перекрытия над большими пролетами (до 6,7 м), пятислойные 200 мм - меньшими (до 5,8 м). Вертикальные стены нижнего деревянного этажа собраны из CLT панелей 200 мм толщины, а к 9-му этажу толщина панелей ступенчато (2, 3, 4 этажи - 180 мм, 5, 6 - 160 мм, 7, 8 - 140 мм) снижается до 120 мм (трехслойная). Конструкция башен учитывает необходимый запас прочности панельной конструкции при частичном повреждении, пожаре и сейсмических нагрузках.
На основе проведенных исследований были выявлены основные конструктивные и объемно-планировочные решения многоэтажных зданий из деревянных конструкций, отображенные в таблице 1.1 (приложение А)
Исследование вопроса пожарной безопасности многоэтажных зданий из деревянных конструкций
Исследование проведенных опытов по пожарной безопасности
Так основным материалом при строительстве являются панели CLT, их огнестойкость сравнима с газобетоном или кирпичом, они не горят, а обугливаются. В Австрии был проведен эксперимент- внутри бокса объемом 60 м3 разожгли костер из 2,5 тонн дров. Спустя час внешняя сторона панелей нагрелась всего на 10 градусов (рис. 1.12).
Рис. 1.12 испытание CLT-панели на огнеcтойкость в Австрии
При этом в отличии от того же газобетона, панели CLT не впитывают влагу.
И в отличии от кирпичных и монолитных зданий обладают превосходной сейсмоустойчивостью, что было доказано экспериментом, проведенным в Японии. 7-ми этажное здание, выполненное по CLT технологии, было тщательно протестировано на крупнейшем в мире сейсмологическом оборудовании, оно выдержало 14 последовательных толчков магнитудой 7-8 баллов практически без повреждений [16].
Американские военные также проводили эксперимент по износостойкости и взрывоустойчивости, они построили несколько домов из CLT-панелей и произвели 7 взрывов (рис. 1.13) мощностью до 276 кг в тротиловом эквиваленте, оказалось, что по взрывостойкости поперечно-клееная древесина не хуже стальных профилей, испытатели отметили, что здания выдержали нагрузку больше заявленной [17].
Рис. 1.13 Испытание панелей Американскими военными
На международной выставке WOODEX / Лестехпродукция 2011 было заявлено, что CLT-панели обладают высокой сопротивляемостью статической нагрузке. В ходе испытаний панель толщиной 60 мм выдержала нагрузку 150 т, а панель толщиной 250 мм - нагрузку 500 т без разрушений. Предел разрушения не был определен.
Противопожарные требования в России
Пожарную безопасность жилых деревянных зданий следует обеспечивать в соответствии с требованиями [19], нормативных документов по пожарной безопасности и [20].
В жилых деревянных зданиях следует предусматривать лифты для транспортирования пожарных подразделений, средства спасения людей при пожаре, системы противопожарной защиты в соответствии с [19] и требованиями нормативных документов по пожарной безопасности.
Степень огнестойкости и класс конструктивной пожарной опасности жилых деревянных зданий и пожарных отсеков следует устанавливать в зависимости от его высоты, площади этажа в пределах пожарного отсека по таблице 7.1 СП 54.13330.2016 и таблице 6.8 СП 2.13130.2012.
Требуемые пределы огнестойкости и классы пожарной опасности строительных конструкций жилых деревянных зданий определяются в зависимости от установленной степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности зданий по [19].
Для строительных конструкций из незащищенной древесины принимают класс пожарной опасности К3, при этом его подтверждение при стандартных испытаниях по ГОСТ 30403 не требуется. Снижение пожарной опасности строительных конструкций из древесины обеспечивается применением различных способов и средств огнезащиты.
К применению для огнезащиты строительных конструкций из древесины допускаются строительные материалы (облицовки), имеющие документ по подтверждению соответствия средства огнезащиты, обеспечивающие требуемые показатели предела огнестойкости и класса пожарной опасности защищаемых строительных конструкций, соответствующие проектной и разработанной на них технической документации.
Нанесение средств огне- или огнебиозащиты на поверхности, ранее обработанные пропиточными, лакокрасочными и другими средствами огнезащиты, огнебиозащиты или биозащиты, допускается при положительных результатах исследований на их совместимость.
Возможность применения средств огнезащиты с поверхностными декоративными, атмосферостойкими или грунтовочными материалами должна быть подтверждена результатами огневых испытаний.
При проектировании жилых деревянных зданий с нанесенными на них средствами огнезащиты, возводимых в районах сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов, следует соблюдать требования пожарной безопасности по СП 14.13330. 10.8
Независимо от площади здания жилые зданий из деревянных конструкций должны оборудоваться системами пожарной сигнализации с установкой пожарных извещателей в каждом помещении, за исключением санузлов, душевых, ванных комнат.
В жилых деревянных зданиях с количеством этажей более чем три или высотой более 8 м не допускается устройство каминов, систем поквартирного теплоснабжения с индивидуальными теплогенераторами.
Здания жилые многоквартирные с применением несущих деревянных строительных конструкций с количеством этажей более чем три или высотой более 8 м должны быть оборудованы внутренним противопожарным водопроводом с минимальным расходом воды 2,5 л/с на одну струю.
Сквозные проезды в жилых деревянных зданиях, предназначенные для проезда пожарных автомобилей, следует принимать шириной (в свету) не менее 3,5 м и высотой не менее 4,5 м и располагать согласно СП 4.13130.
В зданиях степеней огнестойкости I–IV с чердачными покрытиями, выполненными со стропилами и (или) на обрешетке из древесины, кровлю следует выполнять из негорючих (НГ) материалов, деревянные строительные конструкции следует подвергать обработке огнезащитными составами (в зданиях степени огнестойкости I – огнезащитными составами группы огнезащитной эффективности I) либо выполнять их конструктивную огнезащиту, не способствующую скрытому распространению горения.
Жилые здания из деревянных конструкций с количеством этажей четыре и более или высотой более 9 м подлежат защите автоматическими установками водяного пожаротушения с интенсивностью орошения не менее 0,08 л/(с·м2 ).
