СТРОИТЕЛИ - строителна техника, материали, технологии, инструментигодина XV, брой 1, 2018

Комбинирани конструкции за многоетажни сгради

Комбинирани конструкции за многоетажни сгради

Комбинираните конструкции представляват един устойчив подход, който формира основата на дизайна. Материалите се комбинират, така че да се използват всички техни специфични характеристики, в зависимост от изискванията. В статията ще разгледаме този подход конкретно за строителство на високи сгради от стоманобетон и дърво. Дървото все още е основен строителен материал, но трябва да бъдат признати и недостатъците му.
Един от проблемите са конструктивните връзки – традиционните дървени сглобки са сравнително слаба връзка. Слепените елементи или стоманените връзки са по-здрави и се изпълняват по-бързо, като подобряват целостта на връзката. Друг въпрос е масата на елементите при отопляеми помещения и физическата маса за контрол на разпространението на звук и вибрации. Тук идва мястото на стоманобетона, който е тежък, сглобяемите елементи от стоманобетон се монтират лесно, материалът е евтин и пожароустойчив.


Все по-често ставаме свидетели на проекти за сгради, където се комбинират основните строителни материали в една конструкция – стоманобетон, стомана, дърво. В близко бъдеще дървото ще заема все по-голям дял от строителната индустрия. В настоящата статия ще разгледаме някои проекти, които редефинират възможностите на дървото, като строителен материал, за да се подпомогне това развитие.

Преди няколко години усилията на проектантските екипи са насочени в посока реализирането на два проекта. Първият е за седеметажна офис сграда в Германия. Вторият проект е за изграждането на Life Cycle Tower – LCT, в Австрия, с цели 20 етажа. Като част от проектите проектантският екип разработва мултидисциплинарен наръчник за проектиране на дървени сгради, който да послужи като предизвикателство към ентусиастите, занимаващи се с проектиране на дървени конструкции в Arup, така че да разработват техни собствени проектни решения или варианти.

Това вътрешно съревнование в изследователската мрежа MSTRN за по-нататъшно оптимизиране на концепцията за високи многоетажни дървени конструкции има за цел да развие система, която да позволи създаването на конкурентни, по отношение на строителната стойност, проектни решения при всички хибридни дървени конструкции. Модулните елементи на кулата Life Cycle също се усъвършенстват. Подходът при проектирането и оптимизирането се променят, както и концепцията за различните модули.

Конструкция на плочите
Плочите са основен конструктивен елемент при високите сгради и дървено-стоманобетонните комбинирани плочи могат да предложат поведение на стоманобетон при наполовина по-ниско собствено тегло и наполовина по-ниски отделени емисии от въглероден двуокис. Ето защо този тип конструкции са едно устойчиво решение, което е идеално за сглобяемо строителство. По време на проектните проучвания за сградата LCT инженерите разработват и доклад за въглеродния отпечатък на проекта, съгласно който при използването на дървено- стоманобетонни комбинирани плочи, въглеродните емисии намаляват с 50%. Едва при изграждането на прототипа LCT 1 стават ясни и недостатъците на една напълно сглобяема комбинирана дървено- стоманобетонна плоча. Стоманобетонната плоча се деформира и се свива при втвърдяването на бетона. Това поражда вътрешни деформации от порядъка на 40% от дълготрайните деформации. Проектната граница е 1/300 за дълготрайни деформации, включително ефектите от съсъхване и пълзене на бетона и приблизително 10 милиметра (абсолютна стойност) за краткотрайни деформации при пълно временно натоварване. За да се избегне това, се преминава към вариант с отделно производство на дървените и стоманобетонни елементи, които се съединяват впоследствие на обекта или в заводски условия.

При проектирането на плочата се следят три критерия: конструктивно поведение, пожароустойчивост и шумоизолация. В допълнение вибрациите също подлежат на изследване, тъй като леките конструкции са чувствителни на възникване на вибрации.

Добре проектираните плочи са ключово условие за постигането на икономична, по отношение на строителната стойност, конструкция. За да се оптимизира монтажът и сглобяването на плочните модули, проектантският екип влага значителни усилия за разработването на метода за сглобяване. Една типова за LCT плоча е с дължина от 8.1 метра, докато оптималната дължина за такъв тип плоча е от порядъка на 5 до 10 метра. За отвори по-малки от 5 метра хибридната конструкция става неефективна, тъй като стоманобетонът може да бъде използван самостоятелно, без дървени греди. Все още не е изследвана максималната дължина за подобни плочи.

Конструктивни връзки
В процеса на работа са изследвани различни системи за свързване на елементите. В оригиналния проект се предвижда използването на дюбели в материала, както при LCT 1, но с възможност за последващ монтаж. Този подход изисква оставянето на отвори в сглобяемата плоча за напасване при монтажа с дюбелите от дървените греди. Този тип връзка изисква два до три дюбела във всеки край на гредите и допълнителни връзки за поемане на усилията перпендикулярно на слепената греда. В краищата на плочата дървената греда ще бъде напълно свързана към стоманобетонната плоча, което ще позволи предаването на товарите към колоните по фасадата да става от плочата и по този начин напълно ще се елиминира натискът от гредите. Използването на патентовани съединения от Wurth FT Verbinder също е изследвано от проектантите. Патентованата връзка се състои от дюбели в пластмасови канали, които са вбетонирани в плочата, за да бъде фиксирана към дървените греди. Системата е разработена за монтаж на място на обекта, поради което са избрани дюбели с малки диаметри, които позволяват използването на лека механизация. За всяка греда с дължина 8.1 метра се изискват приблизително 30 такива връзки, което прави подхода изключително времеемък.

Проектантският екип изследва и връзка с използване на дълги напълно резбовани винтове с по-голям диаметър от тези при патентованата система на Wurth. Ако зоната, в която се осъществява връзката между двата елемента се замонолити впоследствие, след монтажа на плочата, няма нужда от допълнително сертифициране на самата връзка, при положение, че винтовете отговарят на необходимите стандарти и връзката може да бъде изчислена, в съответствие с действащите норми за проектиране. Това намалява броя на винтовете и прави системата по- икономична. Използването на по-големи свързващи части и инструменти не е проблем при производството в заводски условия.

Тази опция е предназначена за монтаж на място, като дървените и стоманобетонните елементи се произвеждат поотделно и се съединяват на обекта. Това позволява по-лесното им изпълнение и транспорт до строителната площадка. Монтажът на място изисква технологично време за издигане на елементите, но същите са с по-малко тегло. Всички гореизброени опции са предпоставка за така нареченото „сухо” строителство, при което изливането на бетон и разтвори на обекта е сведено до минимум. От екологични съображения е предвиден и демонтажът на конструкциите след преминаване на експлоатационния им срок.

„Мокри” връзки
Специалистите от техническия университет на Берлин изследват конструкции с леки бетони и мокро свързване на бетона към дървените греди. Това е единственият вариант за връзка, при който модулните плочни елементи могат да бъдат свързани преди да бъдат монтирани на конструкцията. Концепцията за изграждане е както следва. Гредите са предварително произведени и поставени в кофража. Повърхността на гредите е покрита с лепило/смола, с добавки за много бавно втвърдяване. Плочата се излива отгоре, като в бетона има добавки за бързо втвърдяване.

След като бетонът достигне определена якост, лепилото запечатва връзката между плочата и гредите. Предимствата на този тип връзки е, че не са необходими допълнителни свързващи средства, освен малък брой болтове за поемане на инцидентни напречни усилия.

Ядро
Базирайки се на предишен опит, стоманобетонното ядро изглежда по-икономично и улеснява процеса по издаване на разрешение за строеж по отношение противопожарната устойчивост. За прототипа и втората сграда в Австрия са предвидени именно такива ядра, за да се осигури стабилността на сградите. За средните и ниски сгради в тези ядра се разполагат стълби и асансьорни шахти, като осигуряват достатъчна стабилност и в същото време гарантират безопасен изход в случай на пожар. Минималните размери на ядрото се определят от размерите на стълбищата и асансьорите. За по-високи сгради това ядро с минимални размери и вече не е определящо за стабилността. При положение, че се състои единствено от стълбище и малък асансьор, като асансьорната шахта е с размери от порядъка на 5х5 метра, тази стоманобетонна конструкция е напълно достатъчна за стабилизиране на сграда с височина до 35 метра, в зависимост от етажното разпределение. Отвъд тази критична височина една хибридна конструкция може да допринесе за увеличаване на коравината с малко количество материал, стабилността и хоризонталната коравина могат да бъдат подобрени с допълнителна конструкция, разположена в равнината на фасадата. Тъй като тази конструкция е необходима единствено, за да поеме ефектите от рядко повтарящи се събития, не е необходима противопожарна защита за допълнителните закоравяващи елементи. Те могат да бъдат проектирани като конструктивни дървени стени или колони без противопожарна защита, както и със стоманена защитна рамка.

По време на проектно-проучвателните работи е анализирано динамичното поведение на многоетажната конструкция с пълностенно ядро от дървен материал. Дървото показва голяма гъвкавост и много добри способности да разсейва енергията, както и да абсорбира вибрациите и трептенията. Този ефект може да бъде подобрен с прилагането на стоманобетонно ядро, тъй като двете различни стабилитетни системи могат да бъдат проектирани така, че да трептят с различни честоти по едно и също време и трептенията да се погасяват взаимно.

Фасадна система
В днешно време фасадните системи осигуряват не само визията на сградата, но и изолация, поемат вертикални и хоризонтални товари, имат функция за противопожарна защита, като предотвратяват възможността за разпространение на огъня от едно отделение или сграда към други места и може да бъдат оборудвани с допълнителни функции, като вертикални градини, фотоволтаични елементи или соларни колектори. Оригиналният дизайн на LCT предполага, че вертикалните товари ще бъдат поемани от слепени колони. Поради изключително нарастващите стандарти за енергийна ефективност, броят на стъклените елементи и прозорци по фасадите намалява. Тъй като непрозрачната площ по фасадите на сградите нараства, на тези места могат да бъдат поместени допълнителни функции, както и да бъдат интегрирани структурни елементи, които повишават стабилността и намаляват разходите.

Съображения за противопожарна защита
Противопожарната защита е един от основните фактори, определящи проектирането на една конструкция като дървена или хибридна дървена. Изследването предвижда напълно дървено ядро, докато последните разработки показват, че предвиждането на стандартни стоманобетонни конструкции за противопожарна защита на аварийните изходи могат да бъдат най-лесният начин за получаване на строително разрешение. Към момента съображенията за защита от пожар предвиждат стоманобетон за най-малкото ядро, в което са поместени аварийните евакуационни трасета и асансьори.

Плочите се разглеждат като противопожарна бариера между етажите. Гредите при плочите и конструктивните елементи на фасадата се считат за запалими, но са проектирани така, че да устоят на пожар в продължение на 90 минути. Противопожарните стратегии все още се изследват. За плочите възможността за пълно разрушение на цялата греда, като се предполага, че огънят ще продължи дори след като първоизточникът е загасен, все още се изследва.

Оставащата плоча може да бъде проектирана като премостваща мрежа между отделните опори, без да губи от конструктивната си цялост, въпреки че може да има много големи деформации. За колоните се разглежда вариант с вградена противопожарна защита.

Двупластовите колони се състоят от структурно ядро, проектирано да поема товарите в случай на пожар (при ограничен подвижен товар и коефициент на сигурност 1.00), противопожарен слой от фибростъкло или картон и външен дървен слой, проектиран така, че да поема допълнителни товари при нормална експлоатация на сградата (пълен подвижен товар и коефициент на сигурност, в съответствие с Еврокод – 1.35 и съответно 1.5). Двата дървени слоя – вътрешното ядро и външният дървен слой, са проектирани да поемат товарите по време на експлоатация на сградата, като при пожар външният слой може да бъде пожертван. Междинният слой защитава вътрешното ядро от горене.
Допълнителни изследвания
Все още има необходимост от допълнителни изследвания в областта на хибридните дървени конструкции и два нови проекта показват пътя, който да бъде следван. Един такъв проект е за офис сграда в Германия. Предвижда се изграждането на пълна LCT система със стоманобетонни основи и стоманобетонен приземен етаж. Конструкцията за шестте етажа над приземния се състои от плочи с отвор 6.2 метра, с 3-метрови коридори по централната ос. Такова разпределение е използвано и при LCT сградата в Калифорния.

Вторият проект представлява 20 – етажна изследователска концепция на обект във Виена, Австрия. В проекта се предвижда използването на 24 - до 40 – метрови хибридни плочогредови конструкции, дървени конструкции за колоните и фасадата, както и стабилитетно ядро от стоманобетон. Предназначението и конструкцията са много сходни с изследователския LCT проект от 2009г. Приземието и първите два надземни етажа са предвидени от стоманобетон, като ще бъдат използвани за специални предназначения, като например паркинг и технологичен етаж на приземните етажи, ресторанти и търговски площи на първите етажи. Дървената конструкция над тези етажи ще бъде предназначена за офиси, докато най-горните етажи ще функционират като хотел. Инженерите ще имат ангажимента да проследят целия процес по реализиране на проекта, като ще се консултират с проектантския екип на MSTRN в подкрепа на разработването, както и на архитектурните и инженерни бюра.