Несущие большепролетные конструкции из клееной древесины
Клееная деревянная конструкция (КДК) — это монолитная совокупность деревянных деталей определенных параметров и взаиморасположения, соединенных клеевой прослойкой. КДК предназначены для выполнения несущих, ограждающих и/или декоративных функций в строительных изделиях и конструкциях.
В нашей стране массовое производство этих конструкций началось в 1973 г.
В то время работало 25 заводов на импортном оборудовании суммарной производительностью около 100 тыс. куб. м конструкций в год. Клееная древесина использовалась при строительстве сельхозобъектов, складов минеральных удобрений, общественных зданий . Среди самых известных из ранних примеров использования КДК — московский бассейн "Чайка" и деревянный мост над 102-м км МКАД в районе Лосиного острова.
Однако в перестроечное время все это было утрачено, и к 1997 г. подотрасль почти прекратила существование. К счастью, научно-технический потенциал страны в этой отрасли не был потерян. Научные работы С. Б. Турковского, Л. М. Ковальчука, А. А. Погорельцева, Е. Н. Серова и многих других в сочетании с инвестиционной активностью предпринимателей позволили возродить производство.
Сегодня деревянные клееные конструкции в России производят более 50 предприятий. Семь производств имеют оборудование для изготовления большепролетных конструкций, в том числе криволинейных. Перечислим их: в Санкт-Петербурге — "Хаус-Концепт Содружество", в г. Волоколамск Московской обл. — "Сокофекс-ДревСтрой", в г. Королев Московской обл. — "160 ДСК Стройконструкция-2", в Нижнем Новгороде — "78 Деревообрабатывающий комбинат Н.М.", в г. Волжск Республики Марий Эл — "Тимбер", в г. Смоленск — "Сафоноводрев", в г. Новосибирск — "Стилвуд".
Отмечая рост применения деревянных несущих клееных конструкций, зададимся вопросом, в чем его причина. Не станем рассматривать такие факторы, как активная реклама и эффективные маркетинговые ходы, направленные на архитектора или менеджера по закупке. Так что же еще?
Экологичность клееных конструкций
Часто утверждают, что деревянные клееные конструкции обладают "экологической чистотой". При этом мало кто задумывается, что бы это означало. Экология — это наука об отношениях живых организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой. Объектами экологии могут быть популяции организмов, виды, сообщества, экосистемы и биосфера в целом. С конца прошлого века складывается экология человека, или социальная экология, изучающая закономерности взаимодействия сообщества людей и окружающей среды.
Что же имеют в виду, говоря об "экологичности" строительного материала или конструкции? Означает ли это активность воздействия материала на сообщества живых организмов? При таком подходе ртуть может рассматриваться как очень "экологичный" материал, особенно по сравнению с каким-либо инертным газом. Или речь идет о малости влияния строительного материала на сообщества живых организмов? Тогда хотелось бы уточнить, о какой стадии инвестиционно-строительного цикла идет речь (стадия производства материала, строительство, эксплуатация здания, стадия утилизации стройматериалов после разборки здания и проч.). И уточнить бы, о каких живых организмах идет речь? А то ведь влажная древесина — очень "экологичный" материал, плесень на нем растет великолепно. Серьезного экологического (в полном смысле этого слова) исследования производства и применения клееных конструкций мы не видели. Поэтому применение термина "экологичный" оставим для гламурных журналов.
Иногда стройматериалы делят на гармоничные и негармоничные. Негармоничными называют те материалы, присутствие которых оказывает негативное влияние на здоровье человека. Усматривают закономерность между распространенностью материала и его вредностью и токсичностью. Такие сравнительно редкие элементы, как уран, ртуть, кадмий, очень опасны для живых организмов. В противоположность им дерево, природный камень, черные металлы вредного влияния не оказывают. Клееная древесина интенсивно насыщена синтетическими клеевыми соединениями. Полимеры используются для усиления их водостойкости и в качестве клея. С этой точки зрения клееная древесина — негармоничный строительный материал, как и все современные краски, синтетические материалы и пластики, сухая штукатурка и проч.
По нашему мнению, все подобные рассуждения ведут в никуда. Точно можно говорить лишь о том, что в соответствии с исследованиями тот или иной строительный материал или строительная конструкция, использующие клееное дерево, прошли необходимые испытания и получили гигиенический сертификат, разрешающий их применение. На широкую гамму клееных строительных материалов и конструкций такие сертификаты имеются. И точка. Все дальнейшее зависит от честности и профессионализма проектировщиков, строителей, эксплуатационников. А то и в рубленой избе с русской печью можно от угарного газа скончаться.
Экономическая эффективность клееных конструкций
Цены на строительную продукцию растут. Строительные материалы, изделия и конструкции составляют в структуре себестоимости строительства от 40 до 60%. Следовательно, рост цен на стройматериалы — лишь одна из причин роста себестоимости строительства. Другие составляющие — это рост зарплат, вывод их из тени, рост стоимости земли и рост цен на подключение к инженерным сетям, рост тарифов на энергоресурсы.
Отметим основные феномены роста цен:
- рост цен на недвижимость (в большинстве регионов) опережает общий инфляционный рост цен;
- цены на материалы растут быстрее, чем цены на недвижимость (примерно в два раза);
- рост цен на стройматериалы продолжается и ускоряется.
Строительство — многопередельный производственный процесс. Интересно, что максимальный рост цен наблюдается в начале цепочки переделов, дальше темпы роста падают.
Казалось бы, цены на жилье должны балансироваться и ограничиваться объемом потребительского спроса, цены на промышленную и коммерческую недвижимость — объемом инвестиций в развитие производства. Но при таком анализе забывают про еще один мощный источник спроса — государственный заказ. Давайте вспомним хотя бы про транспортное строительство с большим объемом инженерных объектов (мосты, развязки…). И еще: существуют и начали реализовываться масштабные планы энергетического и гидроэнергетического строительства. Это — второе ГОЭЛРО.
Такой масштабный спрос прокатывается ударной волной по цепочке строительного производства, ударяя по самым начальным переделам. По переделам природного сырья в простейшие материалы. Это прежде всего производство цемента, стали, обработка дерева.
Это тяжелые, капиталоемкие производства, которые нельзя быстро организовать или расширить, или перевооружить. Это производства, связанные с карьерами, выработками, существенно влияющими на природную среду, и потому долго проектируемые и согласовываемые.
Отсюда понятно активное вложение инвестиционного капитала в создание второго передела, в создание усовершенствованного материала (клееной древесины) из первичного лесоматериала. Анализ показывает, что при пролете больше 24 м клееная древесина оказывается существенно дешевле металла и железобетона.
Техническая эффективность клееных конструкций
Технология склеивания дает возможность получения несущих конструктивных элементов высотой 2 м и толщиной 0,5 м. А технология армирования стыков позволила стыковать элементы транспортной длины в конструкции 60–70 м для перекрытий больших пролетов и элементы для быстровозводимых зданий и сооружений (торговых и спортивно-развлекательных комплексов, складов, ангаров).
Клееные конструкции имеют малый вес при значительной прочности. Это позволяет снизить нагрузку на фундаменты и стены. Древесина оказывается более надежна при покрытии залов с повышенным содержанием влаги (бассейны, аквапарки и др.), в условиях агрессивных сред (склады удобрений, химикатов и т. п.).
Однако техническая эффективность пришла не сразу. В семидесятые годы проектировщики, производители, монтажники клееных несущих конструкций еще не имели необходимого опыта. Нарушения технологического процесса, ошибки в конструировании, хранении и эксплуатации приводили к заметному числу отказов и аварий.
Разрушение изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций происходило главным образом в первые месяцы эксплуатации вследствие недостаточной сдвиговой прочности клееной древесины, из-за образования непроклеев и трещин в клеевых швах и по параллельным им плоскостями. В характере разрушений можно было выделить две стадии. Первая — сдвиг в середине высоты сечения или по другим плоскостям, ослабленным расслоениями. Это превращало цельный изгибаемый элемент в составной и резко снижало его момент сопротивления. Вторая стадия — разрушение от изгиба ослабленного элемента составного сечения.
Нашими учеными для усиление конструкций узлов были разработаны так называемые соединения на вклеенных стержнях. Их стали применять для конструктивного усиления всех изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов, что практически исключило отказы конструкций по причине недостаточной сдвиговой прочности.
В соединениях используется очищенная от ржавчины и обезжиренная стальная арматура периодического профиля диаметром от 14 до 25 мм классов А300–А400. Допускается использовать арматуру А240 со сплошной нарезкой резьбы по длине вклеивания. Для вклеивания (под углом 30–45° к направлению волокон) используют эпоксидные клеи на базе смол ЭД20 с наполнителем — молотым песком (маршалитом) [16] СТО 36554501-002-2006.
На основе этих соединений удалось получить равнопрочные стыки и узлы сборных конструкций и, в том числе, сборных большепролетных конструкций. Подобно закладным деталям в железобетонных конструкциях соединения на наклонно вклеенных стержнях обеспечили надежную анкеровку в клееной древесине стальных закладных деталей, с помощью которых выполняются узловые сопряжения. Закладные детали в узлах и стыках конструкций в стыке соединяются болтами или даже сваркой при вклеивании стержней на термостойких клеях.
Применение V-образных анкеров
Дальнейшим развитием систем с наклонно вклеенными стержнями является применение так называемых V-образных анкеров. В этой конструкции узла стальная закладная деталь крепится несколькими парами вклеиваемых наклонных стальных анкеров. В паре каждый анкер расходится наклонно в разные стороны от места своего прикрепления к закладной детали. Узлы на основе V-образных анкеров отличаются повышенной жесткостью и надежностью по сравнению с узлами с однонаправленными вклеенными анкерами, особенно при изменяющихся векторах усилий.
Выполненные таким образом стыки растянутых элементов при испытании показывали разрушение за пределами стыка. Это объясняется увеличением прочности сечения клееной конструкции за счет включения стержней в совместную работу с древесиной. Результаты исследований были реализованы в стыках элементов жестких вант подвесного моста через МКАД (102-й км), построенного в 1997 г. Ванты пролетом 28,5 м имеют стыки в середине и по торцам для подвески к пилонам. К вантам подвешены балки пролетного строения моста с использованием V-образных анкеров. Стыки подобной конструкции применены для соединения элементов ферм-линз пролетом 48 м Ледового дворца "Строгино" [17] и ферм аквапарков в Мытищах и Санкт-Петербурге (при гостинице "Прибалтийская").
В 2002 г. жесткие стыки приняты для сборных балок пролетом 36 м аквапарка в Абзаково. Элементы длиной 18 м оснащали V-образными анкерами по торцам на заводе в г. Королев, перевозили по железной дороге и сваривали на стройплощадке в проектном положении. Сжато-изгибаемые элементы с жесткими стыками были использованы для уникальных сборных рам широко известного терминала пролетом 63 м в порту Санкт-Петербурга (2001 г.). Здесь полурамы длиной около 54 м состояли из трех элементов, жестко соединенных двумя стыками . Похожие решения пролетом 53 м реализованы в Торговом центре "Бугры" в Санкт-Петербурге. Всего в стране с ведущими проектными и строительными организациями спроектировано и построено более 600 различных зданий с клееными несущими конструкциями .
Клееная древесина и строительные нормы
С принятием в 2002 г. Закона "О техническом регулировании" обновление нормативной базы строительства замерло. СНиПы уже не обновляются, а технические регламенты еще не появляются. Образовался разрыв между научно-техническим прогрессом и его нормативным закреплением в СНиП II-25-80 "Деревянные конструкции".
Попытку сократить этот разрыв делает стандарт организации "Деревянные клееные и цельнодеревянные конструкции. Методы проектирования и расчета", разработанный ФГУП НИЦ "Строительство". Некоммерческая организация "Российская ассоциация производителей и потребителей деревянных клееных конструкций" разработала и в 2006 г. приняла четыре стандарта. Ассоциация активно и небезуспешно работает с Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, пытаясь внедрить свои разработки в новые технические нормативные документы .
Но нам представляется очень разумным подход к стандартизации другой ассоциации — Некоммерческой организации "Национальная ассоциация производителей стальных гнутых профилей". Создание стандартов, как отмечает эта ассоциация, есть крайне долгий и дорогостоящий процесс. Большинство стран СНГ в той или иной мере переходят на европейские стандарты, на Еврокод, экономя и время, и деньги, стирая межгосударственные барьеры научно-технического сотрудничества. Еврокод — достаточно гибкая система, учитывающая и климатические отличия, и национальные особенности. Еврокод успешно применяется от Средиземноморья до Заполярья. Президент этой ассоциации считает, что пусть Министерство иностранных дел подпишет протокол с Европейским союзом, "да, мы принципиально признаем путь, по которому идет Европа, и подтверждаем свой выбор, мы идем по пути европейских стандартов".
Специфический элемент нормативного регулирования —пожарная безопасность. А как горят деревоклееные изделия? Как удачно сказал один из авторов: "Горят хорошо и очень долго".
Считается, что огнестойкость несущей конструкции из клееного дерева выше огнестойкости металла. Это связано с тем, что при пожаре обугливание КДК происходит со скоростью 0,6–0,7 мм в минуту. За час сечение уменьшается на 36 мм со всех сторон, а внутренняя часть дерева интенсивно не прогревается, частично сохраняя несущую способность. Значительно быстрее теряют несущую способность металлические опорные и стыковочные узлы.
К сожалению, существующие нормативные документы по пожарной безопасности не очень дружественны к несущим конструкциям из клееного дерева. Следовательно, как проектировщику, так и собственнику здания придется пройти достаточно сложной дорогой согласований и проверок. Но дело того стоит. Ведь будут применены надежные, долговечные конструкции, причем дешевле, чем из других материалов. Несущие большепролетные конструкции из клееной древесины — это возможность сооружать перекрытия больших пролетов для мостов, самых различных зданий и сооружений (торговых и спортивно-развлекательных комплексов, аквапарков, бассейнов, ангаров, складов). Как видим, у клееной древесины очень широкий спектр возможностей.