Стомано-дървени комбинирани конструкции

В следващите редове ще разгледаме по-подробно стомано-дървените комбинирани конструкции и приложенията им в строителството. Предимствата и предизвикателствата при този вид конструкции са многобройни. Сред предимствата се включват увеличена якост на опън, по-висока антисеизмична осигуреност и икономичност. Предизвикателствата произтичат от разликите в свойствата на материалите.

С три различни начина на комбиниране на материалите са проведени три вида изпитвания и проучвания. Да ги разгледаме.

Първото изследване е за антисеизмичната осигуреност на многоетажни сгради от напрегната дървесина. Проучването е проведено в университета Canterbury в Нова Зеландия и целта му е да се разработи нов вид комбинирана конструктивна система и връзки за многоетажни сгради от дървени плоскости от естествен дървен фурнир в земетръсни райони. Счита се, че новият вид връзки ще допринесе за увеличаване дълготрайността на дървените сгради и ще позволи да останат годни за експлоатация след земетресения, като се намали броя на жертвите, както и разходите за ремонт и прекъсване на работния процес на различни компании.

Второто научно изследване е на комбинирана стомано-дървена конструкция, при която структурното детайлиране на връзките и скобите е както при склада Sainsbury Dartmouth в Англия, като се разглеждат предизвикателствата при проектирането.

Третото проучване показва опита с комбинираните стомано-дървени мостови конструкции и приложението им при три моста в Онтарио, Канада в периода между 1991 г. и 1994 г. В допълнение към това изследване е разработена и таблица в специален формат, базирана на композитна теория за изчисляване на якостта и деформациите при опростена версия на комбинираната стомано-дървена конструкция, използвана при споменатите три моста в Ontario.

Общи особености
Комбинираните конструкции включват конструктивните и архитектурни предимства на различни материали, които могат да работят независимо или съвместно, но във всички случаи работата им се подобрява.

В Канада се прилагат различни видове комбинирани конструкции. В Квебек и Онтарио са изградени стотици комбинирани стомано-дървени мостове, при които стоманата е използвана като основен конструктивен материал под формата на стоманени главни греди, а дървото е използвано за второстепенни елементи, например дървени греди. Тези приложения се срещат често и при сгради, където стоманата участва като поддържаща рамка, а дървото се използва за равнинни елементи.

Докато двата материала се използват съвместно на много места в Канада, първоначалното им приложение в една обща конструкция е на Западното Крайбрежие на страната. Често резултатът са комбинирани конструкции, при които стоманата и дървото съвместно поемат вертикалните и хоризонтални товари. Проекти, като гарата SkyTrain, олимпийската скоростна пързалка в Ричмънд, университетът Quest University или търговският център Surrey City Centre са доказателство за това, че съчетавайки дърво и стомана могат да бъдат създадени забележителни конструкции.

Комбинирането на дърво и стомана става все по-популярно и в много други държави по света, като САЩ, Нова Зеландия, Англия. През последното десетилетие се извършва сериозно проучване на комбинираните стомано- дървени конструкции. Въпреки това, наличната информация и детайлите не са систематизирани и са труднодостъпни за строителите. Това обуславя необходимостта от повече детайлни проучвания на комбинираните конструкции от дърво и стомана, чрез които да се определят различните начини за комбиниране, предимствата, както и трудностите и предизвикателствата, свързани със съвместната им работа. Начините за комбиниране на дърво и стомана в една обща конструкция за приложение в строителството са основно три и могат да бъдат обобщени по следния начин: структура, система и материал.

Структура
Така наречената „структура” е основният вид комбинирана конструкция, при която се използват отделни конструктивни елементи от различните материали. Могат да бъдат дадени многобройни примери за подобни комбинации. Един от най-често срещаните видове са покривните ферми. Като пример може да бъде посочена покривната фермова конструкция на училището Southridge School, където връзките са опростени от комбинирането на стоманени опънни елементи и дървени натиснати в една елегантна, видима от всички страни, покривна ферма.

Рамките са друг вид комбинирана структура. Например, за изграждането на покрива на склада Sainsbury Dartmouth в Англия, са използвани слепени дървени греди и стоманени колони.

Система
Системата е друг метод за комбиниране, при който стоманата и дървесината са сглобени в една обща конструктивна система. Един пример за такъв тип комбиниране са новите комбинирани дуктилни дървени връзки, разработени от изследователи на университета University of Canterbury в Нова Зеландия. Свързаните с такъв тип връзки системи принципно наподобяват стоманобетонните конструкции, напрегнати след бетониране. Връзките свързват готови дървени елементи, използвайки отделни напрегнати стоманени връзки. В конструкцията се вграждат и надлъжни стоманени армировъчни пръти, които подобряват сеизмичната устойчивост на свързаната система.

Материал
Този вид комбиниране се среща, когато стоманата и дървото едновременно формират един структурен елемент, подобно на други видове комбинирани конструкции, при които два различни материала са свързани за съвместна работа в един елемент. Този метод се използва основно при мостовото строителство. Сред примерите се нареждат мостове в Онтарио, при които връхната конструкция се състои от предварително напрегнати равнинни дървени елементи и стоманени греди, посредством използването на напречни прегради.

Друг пример е мостът Bochu в Япония. Съоръжението се състои от ортотропна стоманена пътна плоча, свързана към двойна дървена слепена греда с правоъгълно напречно сечение. Якостта на гредите е увеличена посредством две вертикални стоманени плоскости с променлива ширина. Плочата е свързана с гредите посредством стоманените плоскости, които работят и на срязване.

Комбинирането на материали се използва и при строителството на жилищни сгради, но не е толкова разпространено. Обикновено се прилагат две дървени греди, комбинирани с метална плоскост между тях и свързани с болтова връзка.

Такава комбинация се среща при строителството на леки рамкови постройки в Северна Америка. Подобни греди поемат по-големи натоварвания при по-големи отвори, в сравнение с изцяло дървена греда със същото напречно сечение. Във Ванкувър, за спирка Rupert Station от линията Millenium Line, са използвани именно такъв тип греди. Конструкцията на спирката се състои от извити слепени дървени греди комбинирани със стоманени плоскости, стоманени кръгли колони и комбинирани със стомана слепени дървени подпори, които оформят триставна рамка. Покривът е съставен от лека стоманена плоскост, подпряна на слепени дървени столици.

Предимства на стомано-дървените конструкции
Въпреки, че стоманата и дървото са два твърде различни материала, комбинирането им в една обща конструкция може да донесе редица предимства, предвид свойствата и качествата на всеки един от тях, които да надхвърлят недостатъците им. Задълбоченото разбиране и изучаване на свойствата на тези материали е съществено за проектирането на подобни комбинирани конструкции. Инженерите и архитектите трябва да имат предвид якостта на всеки един от материалите и да знаят при какви условия всеки един от тях работи най-добре.

Докато стоманата работи най-добре при опън, дървото реагира много пo-добре на натиск. Ето защо, когато се конструира една комбинирана стомано-дървена конструкция, дървото следва да се предвиди в натисната част, а стоманата от страната на опъна. Един такъв пример е сградата на бизнес центъра Whitehorse Tourism Business Centre в Юкон. Желанието на архитектите е за един по-груб, така нареченият „рустик”, ефект за вида на покривната конструкция. Същата следва да бъде видима от посетителите във фоайето на сградата, където са изложени различни експонати, свързани с историята на града. Проектирана е фермова конструкция, която да поддържа покрива. При тази подпорна конструкция стоманената част е от страната на опъна, а от страната на натиска е използван слепен дървен материал.

Комбинирането на стомана и дърво подобрява устойчивостта на конструкциите при земетресения.

Дървото има голям коефициент на съотношение между якостта и теглото на елементите, поради което дървените конструкции са по-леки в сравнение с тези от друг строителен материал. Именно малкото тегло е предимство при сеизмични събития. Предвид факта, че сеизмичната сила е пропорционална на масата на конструкцията, от леките дървени конструкции, които са правилно проектирани и изградени, може да се очаква по-добро поведение при земетресения. От друга страна, стоманата придава дуктилност на дървената конструкция. Дуктилността е способността на конструкцията да развива пластични деформации и да разсейва сеизмичната енергия без да се разрушава. Ето защо е желателно една сграда да притежава подобни свойства, предвид внезапния характер на сеизмичните събития, тъй като те ще позволят сеизмичната енергия да бъде разсеяна. Един такъв пример са огънатите дървени ребра на гарата Brentwood SkyTrain Station. Те са обвити със стомана, с оглед по-доброто предаване на сеизмичните сили.

Дървото е екологичен строителен продукт, поради намалената стойност на въглеродния отпечатък. В тази ера на глобално затопляне, стратегиите за устойчиво развитие са не просто съществени, а и все повече наложени със задължителен характер от повечето правителства. Дървото, като най-устойчивият, естествен и възобновим строителен материал, се нуждае от по-широко разпространение в строителната индустрия. Въпреки това, продукти като слепените дървени елементи и обработените дървените конструктивни елементи, се считат за продукт на строителната индустрия, поради процеса на производство. Докато слепването и ламинирането увеличават якостта и намаляват влажността на дървото, те го правят и негоден за рециклиране материал, както е с много други дървени продукти. По този начин се генерират до 30% загуби на дървен материал и се губят част от положителните страни на дървото като екологичен строителен материал, предвид това, че е възобновим ресурс. От друга страна, стоманата може да бъде рециклирана в голяма степен, поради което комбинирането на дърво със стомана дава положителен резултат по отношение на екологията и устойчивото строителство.

В Канада и в повечето други страни по света, строителните норми налагат ограничения във височината и площта на дървените конструкции, от гледна точка на противопожарното осигуряване, но няма ограничения при използването на дървото с негорим материал, като стоманата. Въпреки, че дървото е горим материал, сгради, построени с масивни дървени конструктивни елементи имат отлични противопожарни съпротивителни качества.

Противопожарната устойчивост е времето, за което един конструктивен елемент може да поема собственото си тегло, преди да се разруши. Стоманата е негорим материал, но топлината засяга физико-механичните й свойства. Въпреки това, при пожар повърхността на дървените елементи обгаря, но като цяло якостта и твърдостта се запазват в ядрото, където температурата е много по-ниска, което прави поведението им предвидимо и внезапно рухване е малко вероятно. Предвид това, комбинираните стомано-дървени конструкции имат много по-добро поведение при пожар.

Съчетаването на стомана и дърво при даден проект може да доведе до уникални комбинации и изключително естетически издържани конструкции. Топлината на дървото може да придаде усещане за уют при една изцяло стоманена постройка. Якостта на стоманата намалява сеченията и допринася за икономичност на конструкцията, което би било невъзможно при използването единствено на дървен материал. Например, стоманата може да понесе с едно по-елегантно сечение концентрирането на усилията в основата на една колона, което при изцяло дървено сечение би наложило използването на 25 до 50 % повече материал. Още повече, комбинирането на стомана с дърво увеличава дълготрайността на една иначе изцяло дървена конструкция. Тъй като конструктивната стомана се произвежда, качеството й се гарантира от производителя и не се очаква да има възли, усуквания, сцепвания или други дефекти, често асоциирани с дървото. За разлика от дървесината, стоманата е устойчива на различни насекоми, като термити, на напукване и разцепване, мухъл и плесен. Така, например, при гарата Brentwood SkyTrain Station за защита на дървените колони от общо износване и вандализъм, са изпълнени стоманени основи, които издигат колоните високо над готовия под.

Не на последно място, много проучвания показват, че комбинираните конструкции са икономически ефективни, тъй като съчетават положителните качества на различните материали. Технологията на изпълнение на този вид конструкции изисква съвместното сътрудничество на различни специалисти, като архитекти, инженери и консултанти, производители, доставчици и строители.

Предизвикателства
Поради различните физико-механични характеристики и свойства, свързването на двата материала – дърво и стомана, в една обща конструкция може да бъде трудно. Големият проблем, от конструктивна гледна точка, произтича от различните коефициенти на температурно разширение/свиване, когато са налице различни материали, особено при взаимодействието между колони, греди и стени. Температурните разлики карат стоманата да се разширява и свива, но засягат слабо дървото. В условия на периодични натоварвания и променливи температури, последните проучвания показват, че при стоманените стави има голяма разлика в завъртането при повишаване на темпераурата. Якостта и твърдостта на материала изразено намаляват, което наред с температурното удължение на стоманата, води до бързо достигане на границата на провлачане на стоманата при пожар, дори при постоянно натоварване.

Промените във влажността, които имат малък ефект върху стоманата, могат да доведат до свиване на дървото и постоянна промяна на размерите му. Поради това, в определени случаи в стоманата се оставят отвори, които да позволяват някои движения. Тъй като е важно да се намали ограничаващото действие на стоманата, болтовата връзка между стомана и дърво не следва да преминава през цялото сечение на дървения елемент.

Има и други въпроси, които засягат съвместната работа на стоманата и дървото в една конструкция. Стоманата се нуждае от защита, като обикнивено се поцинкова или се обработва със специални антикорозионни покрития, с оглед да се увеличи устойчивостта й на промените във влажността на дървото. Добър начин да се намали този негативен аспект е използването по възможност на сух дървен материал, тъй като движенията в него с времето са по-малко. При мостовете например, където връхната конструкция обикновено се състои от дървен материал, подпрян на стоманени главни греди, двата материала следва да бъдат отделени с хидроизолационна мембрана.