Строительство большепролетных зданий и сооружений из деревянных клееных конструкций
Применение большепролетных деревянных клееных конструкций дает возможность максимально использовать несущие качества материала и получать легкие и экономичные покрытия. Технология производства большепролетных конструкций уменьшает разброс свойств древесины, повышает допустимую прочность, решает проблемы с содержанием влаги и размерами. Клееная деревянная балка – материал повышенной несущей способности, который может быть изготовлен в широком диапазоне форм.
По этим причинам интерес профессиональных строителей к безопорным покрытиям из древесины вполне естествен, ведь с их помощью достигается основная цель стройки: уменьшение массы конструкций и сооружений при сокращении объема материала и сроков монтажа.
Современные большепролетные клееные деревянные балки склеиваются, как правило, клеевыми системами на основе аминопластов (ММФ-клеями), так как благодаря раздельному нанесению клея и отвердителя и их широкому диапазону соотношений, ММФ-клеи позволяют достичь длительного, до нескольких часов, времени сборки, что необходимо для производства конструкций большой длины.
Большепролетными принято считать конструкции с пролетом 18 м и более для гражданских зданий и более 30 м – для промышленных. Эксплуатационные расходы в зданиях из древесины также ниже – этот материал почти не подвержен коррозии, поэтому большепролетные деревянные клееные конструкции (БКДК) активно используются при возведении зданий и сооружений в агрессивной и влажной среде.
Архитектура большепролетных конструкций из древесины
Большинство большепролетных конструкций – индивидуальные проекты, непременно привлекающие внимание и вызывающие интерес. По всему миру из древесины возводятся многоэтажные дома и большепролетные сооружения, при этом не возникает никаких сложностей и затруднений с применением деревянных конструкций. Современные технологии производства и разработанные проектные решения позволяют применять деревянные конструкции любой длины и формы. Так, сегодня весьма популярны криволинейные деревянные конструкции, которые за счет массивности и пластики могут выполнять одновременно две функции: формировать несущий каркас и украшать интерьер помещения в качестве архитектурного элемента.
Долговечность клееных деревянных конструкций
Надлежащие методы транспортировки и хранения клееных конструкций вкупе с приемлемыми условиями их эксплуатации помогут избежать резких изменений содержания влаги в них и агрессивных воздействий. Основным правилом для сохранения деревянных конструкций является создание условий для их вентиляции – во время эксплуатации деревянные конструкции должны быть открытыми, хорошо проветриваться, по возможности полностью доступными для осмотра, профилактического ремонта, возобновления защитной обработки древесины.
Допустимые параметры эксплуатации и ограничения в помещениях с применением деревянных конструкций регулируют СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» и СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции».
Большую многолетнюю научно-исследовательскую работу по оценке долговечности клеевых соединений провела совместно с экспертами ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко компания «Акзо Нобель», член АДД. Полученные результаты и разработанные методики послужили основой действующей нормативной базы и позволяют с высокой точностью прогнозировать, что будет с происходить с прочностью клеевых швов в КДК и через 100 лет эксплуатации. Использованные в исследованиях компоненты ММФ-систем «Акзо Нобель» производятся теперь и в России.
В мире существует довольно много зданий старше 50 лет, в которых КДК успешно эксплуатируются. Результаты регулярных мониторингов и обследований подтверждают высокую сохранность и стопроцентную работоспособность таких конструкций.
Одним из ярчайших примеров, подтверждающих вышесказанное, может служить общественный центр (ныне здание комплекса «Ателика Липки») в д. Липки Московской области. Деревянные конструкции были изготовлены в 1983 году, здание имеет в плане форму окружности, из центра которой радиально расходятся клееные деревянные балки криволинейной формы.
Уникальность здания в том, что все его конструкции находятся в абсолютно разных условиях эксплуатации – это зал приемов, спа-комплекс, спортивный зал, кинотеатр и т. д. Регулярные обследования комплекса подтверждают идеальное состояние конструкций.
Часто практики сталкиваются с предубеждениями о повышенной горючести древесины, однако клееный брус отличает способность противостоять воздействию огня. Скорость обугливания клееных балок была установлена путем контролируемых испытаний и составила 0,65–0,7 мм в минуту. Это значит, что через 30 мин клееная балка крупного сечения обугливается лишь на 20 мм и без потери конструкционной несущей способности.
На современный теннисный центр «Спартак» в Москве (рис. 2), введенный в эксплуатацию в 2020 году, в ходе огнезащитной обработки деревянных конструкций было израсходовано более 25 т антипиренов. Это позволило обеспечить класс пожарной опасности строительных конструкций К0, что соответствует действующим нормам и требованиям пожарной безопасности.
Защите конструкций от огня все участники рынка БКДК уделяют особое внимание. Ассоциация деревянного домостроения одной из первых разработала онлайн-курс «Технология защиты деревянных конструкций» при участии специалистов компании ООО «Новейшие огнезащитные русские технологии».
Типы БКДК
В настоящее время широко применяются как клееные деревянные конструкции, так и LVL – высокопрочный брус из многослойного клееного шпона. К несущим конструкциям из клееной древесины относятся балки, арки, рамы, фермы, купола, пространственные конструкции.
Балки – наиболее простые в изготовлении, транспортировке, хранении и монтаже материалы, позволяющие возводить разно¬образные большепролетные здания и сооружения. Они могут быть разной формы – прямолинейные, гнутые и т. д. С их помощью легко создаются одно- и двускатные крыши, наиболее приемлемые даже в самых суровых климатических районах России. Оптимальными для однопролетных балок являются пролеты до 12 м при шаге расстановки 6 м и пролеты до 15 м при шаге 3 метра.
Арки – конструктивное рациональное решение на средних и больших пролетах. По характеру напряженного состояния арки лучше других конструкций соответствуют природным свойствам древесины. В процессе роста дерева древесина ствола испытывает в основном сжатие с изгибом, то есть находится в тех же условиях, что и в конструкции. Кроме того, арки отличаются высокой надежностью в эксплуатации из-за небольших перерезывающих сил, которые вызывают касательные напряжения, неблагоприятные для клееной древесины.
Сборные рамы каркасов зданий – наиболее популярная пролетная система для строительства теннисных кортов, складских зданий, бассейнов и других зданий, в которых требуется большая высота помещений. Экономически целесообразными рамы считаются при пролетах от 15 до 70 м. Как и арки, рамы одновременно служат несущими конструкциями стен и покрытий. Кроме того, конструкции рам позволяют использовать в здании тяжелое подвесное оборудование.
Фермы – решетчатые безраспорные конструкции. Рационально используются при пролетах от 18 до 60 м. Их характеризует большая строительная высота, что дает возможность размещения вентиляции, инженерных коммуникаций.
Приведем пример. Исторические фермы Московского манежа (первое название «Экзерциргауз») разработаны и установлены в 1817 году под руководством русского инженера, генерал-лейтенанта на службе Его Императорского Величества А. А. Бетанкура по инициативе и при содействии императора Александра I. Сегодня эти конструкции пролетом 48 м из бруса сечением 260 х 350 мм и длиной до 10 м занесены в реестр ЮНЕСКО как выдающееся инженерное достижение.
Спустя два года эксплуатации фермы были демонтированы из-за больших прогибов. После реконструкции их вновь установили, но уже с меньшим шагом (первоначально шаг был 5,6 м, а после восстановления – 3,85 м).
Уже после революции 1917 года в Манеже устроили казарму, а во времена Советского Союза там был гараж правительственных автомобилей. Возрождение здания как выставочной площадки началось с образованием РФ – там стали проходить выставки, и в 1998 году даже был разработан план реконструкции. Но в 2004 году случился пожар и здание пришлось не только реконструировать, но и восстанавливать утраченные конструкции.
Архитекторы полностью воссоздали наружный декор здания по чертежам и рисункам Осипа Бове. Одним из условий реконструкции было восстановление ферм Бетанкура, которые оставили открытыми. Они были изготовлены не из цельных брусьев, а из клееных, скрепленных металлическими болтами и пропитанных огнестойким составом.
Открытие реконструированного Центрального выставочного зала состоялось 18 апреля 2005 года. После сдачи ЦВЗ «Манеж» в эксплуатацию в 2005 году авторы проекта постоянно наблюдают за фермами, периодически проводятся обследования состояния КДК.
Ребристый купол из КДК – это одно из наиболее эффективных (с точки зрения расхода материала) решений для пространственных конструкций покрытия большепролетных зданий и сооружений. Его каркас представляет собой систему радиальных (меридиональных) ребер – полуарок, соединенных в вершине с помощью верхнего кольца, опирающегося внизу на опорное кольцо или отдельно стоящие фундаменты.
«В ТРК "Питерлэнд" смонтирован ребристый купол диаметром 90 м и высотой 45 м. Особенности конструкций связаны в основном с его габаритами. В плане меридиональные ребра купола опираются с шагом 14,5 м на нижнее железобетонное кольцо и на стальное верхнее кольцо диаметром 5 м. Основные ребра длиной около 60 м выполнены в виде серповидных сборных ферм и сами по себе являются уникальными в части принятых конструктивных решений, изготовления, сборки и монтажа. На эти ребра с шагом 6 м опираются девять криволинейных кольцевых элементов, из которых два – верхний и нижний – являются опорами для 60 промежуточных меридиональных ребер. Нижний кольцевой элемент выполнен в виде горизонтальной фермы, воспринимающей реакции опор от промежуточных ребер и нагрузки от кольцевой технологической площадки. Остальные кольца являются распорками между меридиональными ребрами для обеспечения их устойчивости», – рассказал признанный эксперт в деревянном домостроении, заведующий лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им В. А. Кучеренко Александр Погорельцев в интервью «Строительному еженедельнику» (№31 (891) от 21.10.2019).
Мосты – при строительстве надземных пешеходных переходов над автомобильными магистралями и мостов через реки КДК превосходно себя показали ввиду низкой плотности при высокой прочности, хорошей работе при кратковременных нагрузках и устойчивости к химической агрессии. Наибольшее распространение в России получили арочные мосты, главными несущими конструкциями которых являются две арки, к которым подвешивается пешеходная галерея. При этом галерея может быть как открытого, так и закрытого типа.
Уникальные здания и арт-объекты
Деревянные конструкции всегда выгодно отличают здания от остальных, придавая им статус архитектурной доминанты. Так, в 2022 году в парке «Никола-Ленивец» в Калужской области был построен арт-объект «Мавзолей мечты», несущей конструкцией которого служил деревянный каркас башни со смещенным центром тяжести. Высота башни более 38 м.
Также популярны кружально-сетчатые своды и геодезические купола.
Это лишь несколько примеров лучших большепролетных сооружений, возведенных с применением БКДК, их гораздо больше – они потрясают воображение архитектурными и конструктивными решениями, футуристическими формами, функциональными возможностями. Каждый объект уникален по индивидуальности, которая основана на рациональной взаимосвязи функции и непревзойденных свойств деревянных конструкций.
Производство КДК в России
Сегодня в Ассоциации деревянного домостроения ведется активная работа по стандартизации КДК, выпускаемых в России. Для этого создана рабочая группа, в задачи которой входит внедрение усовершенствованного сортамента КДК, разработка принципиальных конструктивных решений с использованием унифицированных элементов, обоснование технических требований к их качеству на всех стадиях производства и строительства.
Текст: Владимир Стоянов канд. техн. наук, директор по научно-техническому развитию АДД Екатерина Мирошникова исполнительный директор ООО «Большепролет» (Radiuswood), заместитель председателя совета партнерства АДД
индивидуального дома («Русский Запад»)
