Строительство деревянных легких зданий повышенной жесткости с железобетонным каркасом.
Проф. О. Фиговский, инж. А. Футорянский, др. А. Штейнбок (ИАИ, Израиль)
Древесина это древнейший, наиболее доступный и распространенный на земле материал, пригодный для строительства зданий. И не случайно люди применяли этот материал для строительства на всех этапах развития своей цивилизации.
Ключевые слова: строительство, легкие, здания, дерево.
————————
Развивались и совершенствовались технологические приемы, увеличивался опыт и знания человека в области строительства, появлялись и осваивались новые материалы, но древесина неизменно присутствовала на всех этих этапах. Изначально здания строились целиком из дерева. И сейчас еще ценятся здания, построенные из сруба или бруса. Разумеется, сейчас им придается современный облик.
Древесина перед использованием проходит сушку, обработку антисептиками от гниения, и антипиренами от возгорания. Используются современные кровельные, крепежные, уплотняющие и герметизирующие материалы, окна, двери, красители и т.д. В дальнейшем, когда для строительства зданий начали применять камень и кирпич, широкое применение древесина получила как конструкционный материал для устройства перекрытий по деревянным балкам, устройства стропильных опорных конструкций под кровлю, различных балок, стоек и т.д. В некоторых Европейских странах, с давних времен существовала традиция усиления кирпичных стен при помощи деревянных фахверков. Эти здания, с живописно очерченным фахверком на фасадах, существуют в Европе и по сегодняшний день.
Широкое распространение по всему миру получила технология строительства каркасных зданий из дерева. Каркасное домостроение является основным типом малоэтажного строительства в Скандинавии, Финляндии, Германии, США и Японии.
Как правило, для таких зданий строят каменные или бетонные фундаменты, возможно с подвальными помещениями. Каркасные дома строятся на основе каркаса из древесины или металла. При строительстве каркасного дома используется утеплитель, базальтовая или минеральная вата, пенополистирол или пенополиуретан. Такие дома хорошо зарекомендовали себя на протяжении длительного периода эксплуатации, в тоже время качество этих домов во многом зависит от тщательности выполнения технологических требований, и профессионального подхода исполнителей. Устойчивость и пожарная безопасность являются основными требованиями, предъявляемыми к каркасным деревянным зданиям. Законодательство многих стран, по соображениям пожарной безопасности, ограничивает этажность и площадь застройки. В США и других странах при строительстве коттеджей по этой технологии, обязательным требованием является устройство, между коттеджами, противопожарных стен из несгораемого материала, кирпич, камень, бетон.
В последнее время широкое распространение получила технология малоэтажного строительства зданий из СИП — панелей. Технология строительства с использованием СИП – панелей появилась в США в 1940 – 50 годах. Панель СИП состоит из двух ориентировано – стружечных плит (ОСП или OSB), между которыми под давлением приклеивается слой твердого утеплителя пенополистирола или закачивается пенополиуретан, PUR. Это своего рода сэндвич – панели выпускаются толщиной 224 мм, 174 мм, и 124 мм. Панель толщиной 174мм весит не более 25 кг/м2.
Применяются СИП – панели в основном в малоэтажном строительстве. Материал отличается высокой механической прочностью и устойчивостью к различного рода воздействиям. Из СИП – панелей при строительстве зданий делают наружные и внутренние стены, перегородки, перекрытия, крышу. Эти панели выполняют функцию каркаса, т.е. обеспечивают пространственную устойчивость здания. Здание получается сверхлегкое и теплое. С минимальной нагрузкой на фундаменты. В качестве фундаментов в последнее время широкое распространение получают винтовые сваи из стали. При этом надо заметить, что для обеспечения всех этих качеств требуется тщательное выполнение всех технологических требований, и профессиональный подход.
Достоинства этих зданий:
1. Экономия на отопление.
2. Увеличение на 15 -20% полезной площади, за счет толщины стен.
3. Ускоренный монтаж коробки здания.
4. Простая технология сборки и легкость конструкций.
Недостатки:
1. Не большая тепловая инерция ограждающих конструкций.
2. Высокая цена СИП — панелей.
3. Низкая несущая способность стен, при необходимости использования стен как дополнительных опор для крепления внутренних конструкций.
4. Высокая горючесть ограждающих конструкций.
5. Выделение при горении вредных веществ.
6. Подается порче грызунами.
7. На рынке часто встречается контрафактная продукция, подделка СИП -панелей, низкого качества.
В последнее время широкое распространение получила и набирает обороты технология многоэтажного строительства из дерева.
Ведутся разработки новых технологий обработки древесины для улучшения качества материала. Так, например, в университете Мериленд разработали технологию позволяющую увеличить прочность древесины в 10 раз (2). Вернее, этот материал не совсем дерево в его обычном понимании. Это композитные материалы на основе древесины.
Например, композитный материал -LVL, используется в качестве вертикальных и горизонтальных элементов несущего каркаса здания. Этот композитный материал представляет собой многослойный шпон из древесины хвойных пород, каждый слой толщиной около 3 мм. Слои располагаются параллельно и проклеены специальными смолами под давлением. В отличии от обычного дерева, LVL не подвержен воздействию микроорганизмов, не деформируется от сырости и устойчив к химической агрессии. Композитный материал- CLT, изготавливается методом перекрестного склеивания слоев древесины и используется в многоэтажном строительстве виде плит и панелей, в качестве ограждающих конструкций, толщиной от 60 до 400 мм.
Пятиэтажки из LVL и CLT уже давно стали нормой в Скандинавских странах и Канаде. Расчет более высоких зданий выявил своеобразный недостаток композитной древесины. Такие здания не обладают достаточным весом для обеспечения устойчивости, с этой целью в конструкцию зданий водят железобетонные плиты.
Однако высотные здания существуют, например, в Токио построено самое высокое деревянное здание. Существует так же и технология модулярного строительства, (сборка зданий из готовых “коробок — модулей”). Модули высокой степени готовности, заводского изготовления, обеспечивают быструю и лёгкую сборку на строительной площадке.
Уникальные свойства дерева (прочность и эластичность), позволяют возведение зданий с любой кривизной поверхности. Например, в Китае и Японии строят здания с криволинейными поверхностями крыш, “ крыши-пагоды”(3).
Существует также технология гибридного строительства, когда основные элементы каркаса делают из железобетона а ограждающие конструкции и второстепенные балки из композитной древесины.
В заключение – статистика: В Европе доля деревянного индивидуального домостроения составляет 83% , в США — более 90%, в Канаде 80% домов построены из дерева, а в Финляндии — 99%. Новая технология в строительстве деревянных домов позволяет строить теплые деревянные дома в среднем за 2-3 месяца от проекта до ключей.
Настоящее предложение является технологией быстрого строительства зданий поселкового типа с повышенной жесткостью и конструктивной возможностью повышения этажности. При этом наряду с древесиной, материалом традиционным для поселкового строительства, предлагается к применению монолитный железобетон. Предлагаемая технология базируется на двух существующих технологиях – прототипах.
Первый прототип, это технология гибридного строительства, т.е. для строительства домов используется железобетонный несущий каркас, но при этом ограждающие конструкции выполняются из легких деревянных материалов, в том числе это могут быть композитные материалы типа CLT.
Второй прототип, это технология ускоренного строительства по типу патента (1). Этот патент предлагает технологию сборного — монолитного строительства. Т.е. это строительство зданий из железобетона, и первоначально к дереву не имеет отношения, но в этом патенте заложена идея совмещения процессов. Используются элементы двойного назначения, и они же являются не съемной опалубкой.
Т.е. если при обычном гибридном строительстве на первом этапе строится железобетонный каркас, со всем набором сопутствующих операций. А затем на этот каркас навешиваются ограждающие конструкции. То предлагаемая технология предусматривает монтаж щитовых ограждающих конструкций, совмещающих функцию не съемной опалубки для монолитного каркаса. Т.е. при монтаже ограждающих конструкций одновременно, автоматически выполняется устройство не съемной опалубки для монолитного каркаса, таким образом совмещаются два вида работ. Работы по возведению каркаса и ограждающих конструкций, выполняются одновременно. Кроме того, предлагается железобетонное перекрытие, сборное — монолитное по сборным легким ребристым плитам. Собственный вес плиты 130 кг/м2. Минимальное дополнительное армирование по верху плит и заливка 10 см. монолитного бетона, превращает весь каркас в цельный монолит.
Необходимость такого повышения жесткости, продиктована требованием противостоять, всевозрастающим разрушительным климатическим воздействиям во многих регионах. В последнее время этот аспект начинает доминировать над многими другими. Причиной тому видимо климатические изменения, которые являются следствием глобального потепления на планете. Поиск новых технологических решений ведется постоянно, но основным критерием, по большей части, являются экономические соображения. По понятным причинам этот аспект является не маловажным фактором. Но при этом, недооценка возможных разрушающих факторов, и пренебрежение к требованиям прочности и надежности конструктивных решений, в конечном счете, может обойтись дорого и не только в денежном выражении.
Настоящее предложение является технологией, которая обеспечивает следующие возможности:
1. Возможность ускоренного и упрощенного строительства зданий поселкового типа.
2. Возможность строительства зданий повышенной жесткости и капитальности, с железобетонным каркасом.
3. Возможность строительства зданий повышенной этажности для условий поселка.
4. Возможность применения различных легких и традиционных деревянных материалов для ограждающих конструкций стен. Т.е. не несущих конструкций.
5. Возможность архитектурной гибкости, в планировке внутренних стен, и перегородок. Т.е. конструктивная схема обеспечивает возможность свободной планировки.
Технологические решения данного предложения:
Фундаменты.
Строительство зданий начинается с подготовительных работ по устройству фундаментов. Каких — то принципиально новых решений и требований к фундаментам нет. Это могут быть традиционные фундаменты на естественном основании, т.е. ленточные, столбчатые, плита под всем зданием. Материалы – бетон, железобетон, бутовый камень. Должны соблюдаться правила заглубления, т.е. подошва фундаментов должна залегать ниже глубины промерзания грунтов, в регионах с минусовыми зимними температурами. В районах, где наблюдаются сезонные затопления, цокольная часть фундаментов должна быть повышена. Фундаменты могут быть на свайном основании. При устройстве фундаментов, в местах опирания монолитных железобетонных колонн каркаса, необходимо предусмотреть специальные арматурные выпуски из конструкций фундаментов для связи с каркасом. Основные требования к фундаментам это: надежность, устойчивость и долговечность.
Некоторое сомнение в этой связи вызывают, получившие распространение в последнее время, винтовые трубчатые сваи из стали. Они как бы завинчиваются в грунт, таким образом, упрощая и ускоряя процесс устройства фундаментов. Однако сомнение вызывает материал этих свай, если только они не сделаны из легированной стали или титана! Даже оцинкованная обычная сталь, находясь в грунте, будет подвержена коррозии.
Строительство надземной части здания. (Стены, каркас, перекрытие)
Стены здания выполняются из готовых щитовых деревянных панелей. Щитовые панели одновременно являются ограждающими конструкциями, или основой для ограждающих конструкций стен, и не съемной опалубкой для монолитного железобетонного несущего каркаса. Т.е. геометрия щитовых панелей разработана таким образом, что на монтаже в местах вертикального стыка между панелями автоматически образуется полость. Эта полость является готовой трехсторонней опалубкой для устройства монолитных железобетонных колонн каркаса. (См. рисунок 3). Монтаж щитовых деревянных панелей предусматривает установку и временное раскрепление этих панелей от опрокидывания. После монтажа щитовых деревянных панелей, в образовавшуюся на стыке между панелями опалубку устанавливается арматура колонны, как продолжение арматурных выпусков из фундаментов. Четвертая открытая сторона опалубки закрывается деревянным, съемным щитом и опалубка раскрепляется. Кроме того, на щитовых панелях стен предусматривается и закрепляется опалубка для нижней части обвязочной монолитной железобетонной балки, проходящей по периметру здания. (См. рисунок 1). Арматура обвязочной балки устанавливается в опалубку и проходит через тело колонны. При этом арматура балки и арматура колонны пересекаются между собой. После монтажа арматуры опалубка обвязочной балки закрывается и раскрепляется. Эта обвязочная балка выполняется в два этапа. Нижняя часть балки на первом этапе заливается одновременно, т.е. совместно, с заливкой монолитных колонн. Нижняя часть балки является опорой для сборных железобетонных элементов перекрытия. (См. рисунок 1, 2) Хомуты поперечного армирования балки рассчитываются на полную высоту обвязочной балки, и после первого этапа заливки возвышаются над бетоном. В дальнейшем эти хомуты свяжут между собой нижнюю и верхнюю части балки, и обеспечат их совместную работу, как единое целое. Второй этап заливки обвязочной балки, (верхняя часть балки), выполняется одновременно со вторым этапом устройства перекрытия. Т.е. совместно с заливкой монолитной части перекрытия. (См. рисунок 1). Таким образом, обвязочная балка завязывает между собой все колонны каркаса и диск перекрытия в одно целое. Перекрытие железобетонное, сборное — монолитное, выполняется в два этапа.
Первый этап устройства перекрытия. Выполняется монтаж сборных, железобетонных, тонкостенных, ребристых плит. Плиты опираются на нижнюю часть обвязочной балки. Учитывая, что обвязочная балка на данном этапе выполнения не закончена, под балку следует подвести временные опорные стойки. Плиты опираются на обвязочную балку посредством опорных выступов нижних ребер. (См. рисунок 1). Собственный вес такой плиты — порядка 130 кг/м2. В ребра плит, при изготовлении, закладывается продольная рабочая арматура и хомуты. Хомуты рассчитаны на полную толщину перекрытия и возвышаются над поверхностью бетона плиты. Верхняя полочка сборных плит, при изготовлении армируется стальной арматурной сеткой. Плита перекрытия может выполняться пролетом порядка 6 метров, при этом она сама по себе обладает определенной жесткостью, (т.е. это еще до заливки монолитного бетона). Но во время монтажа плит перекрытия в середине пролета необходимо установить временную опору. Таким образом, сборная плита на монтаже опирается в трех точках, две постоянные опоры по краям и временная опора в середине пролета. Такая плита выполняет функцию конструктивного элемента и несъемной опалубки одновременно.
Второй этап устройства перекрытия. После монтажа сборных плит, по верху плит укладывается арматурная сетка и арматура, связывающая перекрытие и обвязывающую балку. Выполняется так же и монтаж верхней арматуры обвязочной балки. Возможно дополнительное армирование по проектному решению. По завершению этих подготовительных работ выполняется заливка монолитного бетона по сборным железобетонным плитам. Одновременно с перекрытием заливается и верхняя часть обвязочной балки. Хомуты, выступающие из ребер сборных железобетонных плит, обеспечивают жесткую связь между сборной и монолитной частями перекрытия, и их совместную работу как единой цельной конструкции (Рисунок 2).
Каркас
Каркас является основой здания, которая обеспечивает повышенную жесткость. Т.е. воспринимает эксплуатационные нагрузки и обеспечивает устойчивость здания при воздействии горизонтальных нагрузок. Каркас может выполняться в двух вариантах.
1. Рамный каркас, это каркас с жесткими сопряжениями в узлах между ригелями и колоннами. Стойки и ригели такого каркаса рассчитываются на все возможные комбинации усилий.
2. Связевой каркас, это каркас, элементы которого работают на усилия от вертикальных нагрузок, а усилия от горизонтальных нагрузок воспринимают вертикальные связи.
В данном случае предлагается вариант связевого каркаса, на рисунках 2 и 3 отображаются фрагменты вертикальных связей из стальных профилей. Вертикальные связи устанавливаются в промежутках между колонами в толще полых стен, (Рисунок 3), и крепятся к закладным деталям колонн. Вертикальные связи, их количество и места установки определяются проектом, но не меньше одной крестообразной связи в каждой стене, где имеется ряд колонн.
Рисунок 1: Разрез по наружной стене
1. Щитовая деревянная панель. Пропитана антисептиком и антипиреном.
2. Нижняя часть монолитной железобетонной обвязочной балки.
3. Верхняя часть монолитной железобетонной обвязочной балки.
4. Сборная железобетонная ребристая плита.
5. Монолитный бетон по сборным железобетонным плитам.
6. Подшивной потолок из гипсокартона.
7. Утеплитель. Возможно применение СИП панелей.
8. Конструкция пола по проекту.
9. Гидроизоляция между щитовой панелью и утеплителем.
Рисунок 2: Сечение 2-2 (См. рисунок 1)
1. Щитовая деревянная панель. Пропитана антисептиком и антипиреном.
2. Монолитная железобетонная колонна. Армирование условно не показано. (См. сечение 1 – 1 рисунок 3)
3. Нижняя часть монолитной железобетонной, обвязочной балки.
4. Сборная железобетонная ребристая плита.
5. Монолитный бетон по сборным железобетонным плитам.
6. Вертикальная связь из стального профиля.
7. Подшивной потолок из гипсокартона.
8. Конструкция пола по проекту.
Рисунок 3: Сечение 1-1 (См. рисунок 1)
1. Щитовая деревянная панель. Пропитана антисептиком и антипиреном.
2. Монолитная железобетонная колонна.
3. Вертикальная связь из стального профиля.
4. Утеплитель. Возможно применение СИП панелей.
5. Зашивка стены. Гипсокартон.
6. Гидроизоляция между щитовой панелью и утеплителем.
Дополнительные возможности:
1. Полости между ребрами перекрытия, подшивным потолком и в стенах можно использоваться для проводки коммуникаций (например, электрических кабелей и кабелей связи).
2. Полость наружных стен можно заполнить звукопоглощающим и теплоизолирующим материалом на основе минеральной ваты.
3. Теплоизоляция наружных стен располагается с наружной стороны деревянных щитов, можно применить СИП панели. При этом вредные для здоровья человека выделения из СИП панелей, если таковые будут, не смогут проникнуть в жилое помещение благодаря герметичности, которую обеспечивает гидроизоляция между щитовой панелью и теплоизоляцией.
4. Наружные поверхности СИП панелей могут обрабатываться и декорироваться по отработанным уже специальным технологиям.
5. Пол земляного этажа может быть выполнен по железобетонному перекрытию, возможно по типу потолочного перекрытия. Или, как вариант, деревянный настил по лагам на столбиках по подсыпке. Вариант может приниматься в зависимости от местных условий.
6. При необходимости, перекрытие потолочное (междуэтажное) можно выполнить по деревянным балкам с опорой на монолитную обвязочную балку, расположенную по периметру стен, или дополнительные поперечные балки, связанные с обвязочной балкой. Учитывая, что речь идет о повышенной жесткости здания, в промежутке, (Т.е. в полости), между перекрытием по деревянным балкам и подшивным потолком, рекомендуется сделать горизонтальные крестообразные связи. Или выполнить жесткие узлы в сопряжениях между балками. Таким образом, обеспечивается жесткий горизонтальный балочный контур. Такая замена снизит капитальность здания, но может иметь место.
7. Возможен вариант устройства утеплителя с внутренней стороны щитов. Но при этом надо исключить мостик холода через элементы каркаса. Для этого в опалубке надо поместить утеплитель, который несколько отодвинет каркас внутрь от наружной стенки щитов. Необходимо предусмотреть пароизоляцию. Этот вариант утепления подобен варианту каркасного строительства деревянных зданий.
8. Возможен вариант выполнения щитов из композитных материалов на основе древесины типа CLT. Такой материал подбирается нужной толщины и может выполнять так же и функцию утеплителя, как в зданиях со стенами бревенчатого типа — срубах.
Библиография:
(1). Figovsky O. Futoriynsky A. Construction element for erecting structure, and method of erecting structure with use thereof. (Patent US 8.615.967 B1)
(2) https://www.sciencedaily.com/releases/2018/02/180207151829.htm
(3) https://www.google.com/search?q=monoarchi-tree-house-stilts-undulating-roof-china/&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=2ahUKEwiEs6GvrsbeAhUlgM4BHc1vCKAQsAR6BAgGEAE&biw=1280&bih=625
Иллюстрация: 2МДом
