Городское строительство из дерева. Зарубежный опыт.

Ключевыми проблемами в разработке рассматриваемых конструкций являются прочностные параметры, характеристики жесткости, вопросы пожарной безопасности и акустические свойства, а также стоимость строительства. На сегодняшний день самым высоким зданием с несущей основой из дерева является девятиэтажное жилое здание из массивных панелей Murray Grove в районе Hackney в Лондоне. 

Вопрос о разработке правил проектирования многоэтажных деревянных зданий возник во второй половине 90-х гг. прошлого века, когда в строительных нормативах ряда стран были устранены ограничения на возведение зданий с основой из дерева выше трех этажей. Отсутствие каких- либо рекомендаций и нормативной документации привело к необходимости проведения исследований и экспериментов в этой области. 

Примером одного из первых полномасштабных исследовательских проектов по проектированию и строительству многоэтажного деревянного здания является проект TF2000 (Timber Frame 2000), проведенный с 1994 по 2000 гг. в Великобритании. В рамках проекта было построено шестиэтажное жилое здание с деревянным каркасом. Целью исследования являлось проведение комплекса экспериментов, для чего здание было помещено в специальный ангар и оборудовано большим количество различных измерительных приборов. 

Для экспериментального строительства были приняты следующие характеристики конструктивных элементов: 

- Несущие наружные стены – 2 слоя гипсокартона (внутренняя отделка), слой пароизоляции, деревянные стойки 89х38, теплоизоляция из минеральной ваты, лист OSB 9 мм. Между несущей конструкцией и отделкой из облицовочного кирпича предусмотрено воздушное пространство 60 мм. Облицовка крепится к каркасу металлическими связями. 

- Перекрытия – 2 слоя гипсокартона (потолок), балки по расчету, теплоизоляция из минеральной ваты, лист OSB 9мм (настил пола). 
- Кровля – стропильная ферма с вальмами, бетонная черепица.
- Для сведения к минимуму усадочных деформаций было принято решение об использовании древесины заданной влажности: для перекрытий – 12% ± 2%, для стен 18% ± 2%. 
- Конструкция фундамента – железобетонная плита. 

Процесс возведения здания бригадой из шести человек занял 17 дней. Во время строительства и по его завершении были проведены исследования по измерению естественных деформационных смещений, общей поперечной устойчивости здания (на разных стадиях готовности), тест на потерю целостности, пожарные тесты и определение акустических характеристик. 

Целью программы по определению пожарной безопасности здания была оценка принятого поквартирного принципа деления на пожарные отсеки и возможности использования деревянных лестниц для эвакуации. Соответственно задачам были проведены два теста. 

В ходе первого эксперимента были воссозданы условия реального пожара в квартире третьего этажа. В течение 64 минут пожарной команде не дозволялось вмешиваться в ход эксперимента. По его окончании были сделаны выводы о соответствии многоэтажного здания с деревянным каркасом требованиям строительных нормативов Великобритании. Несмотря на более значительную, чем в стандартном 60-минутном испытании на огнестойкость, силу огня пожарный отсек сохранил целостность, а несущие конструкции – прочность. Листы гипсокартона доказали свою эффективность для защиты древесины от открытого огня. 

Тест был прекращен лишь после разрушения защитного гипсокартонного слоя на потолке непосредственно над местом возгорания, когда несущие деревянные балки оказались подвержены открытому огню в течение заданного времени. Отсюда был сделан вывод о принципиальном влиянии квалификации строителей на огнестойкость конструкции, особенно в процессе крепления гипсокартона. Помимо определения огнестойкости сооружения в ходе эксперимента были проведены измерения по содержанию в воздухе угарного газа и оценка видимости внутри пожарного отсека. 

Вопрос о применении деревянных конструкций лестничных клеток и деревянных лестниц в деревянных многоэтажных домах является принципиальным. Одно из существенных преимуществ строительства на основе деревянных элементов высокой заводской готовности – скорость возведения, может быть утеряно при наличии большого количества элементов каменных конструкций. Тест на определение возможности использования деревянных лестниц в качестве путей эвакуации в жилых многоэтажных зданиях был основан на следующих критериях: 

- лестницы необходимо использовать для первоначальной эвакуации жильцов.
- лестницы должны оставаться пригодными в дальнейшем для использования пожарными бригадами при тушении пожара. 

Исходя из этих требований, было принято решение обработать все компоненты лестниц антипиренами Dricon от Hickson Timber Products, обеспечивающими древесине первый класс пожарной безопасности. Также для соединения компонентов был использован термически твердеющий клей. Лестницы были отделаны одним слоем гипсовых панелей толщиной 12,5 мм, закрепленных через 150 мм специальными гвоздями. В лестничной клетке и на ступенях лестницы были установлены несколько источников возгорания. Пожарный тест продолжался 31 минуту. Целостность конструкции лестницы была подтверждена, когда после окончания теста пожарную бригаду в полном обмундировании попросили использовать ее для попадания на первый и второй этажи. 

По другому пути защиты от пожаров пошли разработчики шведской объемно-модульной системы на основе массивных деревянных плит Трелюфтет. Изначальным отправным пунктом ее разработки стали исследования по улучшению звукоизоляционных качеств объемно- модульных сооружений – проблема состояла в том, чтобы снизить распространение звука через горизонтальные и вертикальные связи между блоками. 

В ходе проекта была предложена новая технология соединения объемных элементов с использованием стальных роликоподшипников. С их помощью удалось добиться повышения условий звукоизоляции до уровня B согласно строительным нормативам Швеции. Дальнейшие эксперименты показали, что оптимальным является использование подшипников длиной 200 мм и роликов диаметром 40 мм. На каждый объемный элемент используют от четырех до шести роликоподшипников. 

Основными несущими элементами блока являются многослойные клееные дощатые щиты. Конструкция наружной стены состоит из пяти слоев, толщиной 18 мм. Три из них – крайние и центральный – представляют собой щиты из склеенных ламелей с вертикальным расположением волокон. Два промежуточных слоя состоят из горизонтальных ламелей, расположенных на расстоянии друг от друга (18х95 мм, с шагом 300 мм). 

Такая структура имеет несколько функций. С одной стороны горизонтально расположенные ламели минимизируют влажностные деформации стеновых элементов в поперечном направлении, с другой – создают замкнутые воздушные карманы, улучшающие изолирующую способность. С наружной стороны к несущему щиту крепится слой теплоизоляции из тяжелой минеральной ваты, которая удерживается на стеновых элементах специальными креплениями, к которым монтируется и подконструкция для навесного фасада (арматурная сетка для фасадной штукатурки). 

Исходя из модульной системы строительства, любая межквартирная стена состоит из двух массивных ограждающих элементов каждого из блоков. Перекрытие так же, как и стена, имеет два слоя. Верхний – пол объемного модуля, рассчитан на нагрузку, создаваемую людьми, мебелью и бытовым оборудованием. При пролетах средних размеров толщина этой части составляет 120 – 145 мм и представляет собой массивную деревянную плиту, склеенную из дощатых щитов, расположенных во взаимно перпендикулярных направлениях.
 
При должном выборе материала для изготовления верхнего слоя перекрытия, оно не нуждается в дополнительном половом покрытии. Нижняя часть перекрытия рассчитана лишь на собственный вес, а также на нагрузки, которые могут возникать в процессе производства, транспортировки и монтажа. Ее задача – обеспечить хорошую звукоизоляцию между квартирами. Элемент состоит из балок, изоляционного материала, обрешетки и гипсокартонных плит потолка. 

Пространство между верхним и нижним слоями перекрытия является одной из основных зон для прокладки коммуникаций. Здесь размещают трубы тепло- и водоснабжения, вентиляции, а также электрические и телефонные кабели. Конструкция соединения объемных блоков с использованием роликов оказалась относительно нечувствительной к величине вертикальной нагрузки, что открыло потенциальную возможность возведения на ее основе многоэтажных зданий. Это предположение вызвало необходимость исследовать и другие аспекты строительства и эксплуатации дома, в том числе пожарную безопасность. 

С середины 1990-х гг. строительные нормы Швеции (BBR) позволяют возведение многоэтажных жилых зданий с конструктивной основой из горючих материалов. Но при использовании горючих материалов в отделке здания для обеспечения пожарной безопасности требуется принять особые меры. Одной из таких мер является установка спринклеров. В строительной системе Трелюфтет предусмотрена установка бытовых спринклеров. Обычно ими оборудуются помещения, где возможно возникновение пожара, угрожающего жизни, т.е. те, где обычно находятся люди. Спринклерами оборудуются также и пути эвакуации. Несмотря на высокую стоимость спринклерных систем, они дают ряд преимуществ при проектировании и строительстве, обеспечивая большую гибкость в выборе конструкций и отделочных материалов. Среди таких преимуществ возможность устройства фасада из горючего материала (деревянная отделка без специальной обработки), а также применения горючей отделки для лестничных клеток. Допускаются большие расстояния до путей эвакуации, устройство общих комнат, открытых в сторону путей эвакуации, более плотная застройка. По результатам испытаний конструктивные элементы системы Трелюфтет обладают огнестойкостью REI 60 и пригодны для возведения зданий средней этажности (4-8 этажей). 

На сегодняшний день деревянные здания в 4-6 этажей являются привычным явлением на европейском строительном рынке, хотя их доля еще невелика. Возведение таких зданий уже давно вышло из области экспериментального проектирования и является повседневной практикой ряда проектно-строительных компаний; результаты экспериментов стали основой для обновления старых и составления новых нормативных документов. По экономическим оценкам стоимость строительства дома с деревянным каркасом лишь незначительно превышает стоимость железобетонной постройки. При этом деревянное каркасное здание, обладая меньшим весом, требует меньше затрат на изготовление фундамента, а цена на металл и цемент, согласно прогнозам, будет расти. Квадратный метр здания из массивных деревянных плит значительно дороже в силу больших затрат материала и применения технологии склеивания элементов. Но этот способ без дополнительной внутренней отделки позволяет достигать лучших характеристик среды, предпочтительнее в экологическом, эстетическом и социальном аспектах.
 
В то время как опробованные технологии прокладывают свой путь на рынок, в университетах продолжаются исследования, расширяющие возможности современного деревянного домостроения. Тесное сотрудничество с государственными структурами и бизнесом позволяет реализовывать полномасштабные экспериментальные проекты. В Технологическом университете Вены в 2007-2008 гг. были проведены исследования, позволяющие утверждать возможность возведения зданий с деревянным каркасом высотой 20 этажей. Институт проектирования несущих конструкций и инженерной древесины ТУ Вены рассмотрел три концепции решения каркаса для двадцатиэтажного офисного здания, 17 верхних этажей которого имеют деревянный каркас. Несущими деревянными элементами в рассматриваемых моделях были приняты опоры и балки из клееной древесины и клееные дощатые щиты. 

Критическим моментом для возведения высотных зданий из любого материала является реакция на горизонтальную нагрузку, нормируемая через максимальное отклонение от горизонтали при колебаниях, вызванных ветром или землетрясением. Расчет на наихудшее сочетание ветровых нагрузок показал, что две из трех рассмотренных концепций соответствуют требованиям нормативов – максимальное отклонение не превысило предела эксплуатационной пригодности равного h/500. Расчет на жесткость при землетрясении также дал положительный результат.