DWGФОРМАТ | ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Технологические особенности клеёных деревянных конструкций

Акшов Э.А. Технологические особенности клеёных деревянных конструкций // Architecture and Modern Information Technologies. – 2021. – №1(54). – С. 156–164. – URL: https://marhi.ru/AMIT/2021/1kvart21/PDF/10_akshov.pdf DOI: 10.24412/1998-4839-2021-1-156-164

На сегодняшний день использование возобновляемых ресурсов, а также снижение негативных последствий антропогенного воздействия на природу в сфере строительства актуально как никогда. Для архитекторов задача подбора материала, соответствующего концепции экологического проектирования, становится первостепенной. Появление первых клееных деревянных конструкций в начале двадцатого века с их последующим развитием дало обществу новую технологию зеленого строительства. За последние десятилетия дерево прекрасно зарекомендовало себя в рамках парадигмы устойчивого развития.

В архитектурно-строительной области интерес к возобновляемым материалам растет с каждым годом. Выбор новых материалов может оказать благоприятное влияние на окружающую среду, в частности на снижение парникового эффекта, так как деревья во время своего роста поглощают углекислый газ из атмосферы. Чистое потребление растениями углерода в атмосфере составляет около 5,5 тонн [1] на гектар для европейского лесного хозяйства. Для бамбуковых лесов это цифра значительно выше – 36,44 тонн СО2/гектар [2]. Дерево и бамбук обладают возможностью хранить углерод в связанном виде в течение многих лет. Поэтому на сегодняшний день древесина и бамбук являются одними из самых перспективных для строительной отрасли с учетом возможности их вторичного использования, а также возобновления.

На Консорциуме по исследованию возобновляемых промышленных материалов в декабре 2009 года группой исследователей (Пересс-Гарсия, Брюс Липпке и др.) было продемонстрировано, что деревянные конструкции имеют лучшие показатели по сравнению с бетонными с точки зрения воздействия на окружающую среду. Так, ученые рассчитали, что деревянные перекрытия при строительстве потребляют на 67% меньше энергии, выделяют на 157% меньше углерода, а также на 312% меньше потребляют воды по сравнению с бетоном.

Особенности производства. Согласно данным американских исследователей Морин Пюттманн (1), Ариджит Синха (2), Индронейль Гангули (3) в США на строительство и последующую эксплуатацию зданий приходится около 40% выбросов углекислого газа, а также 41% общего потребления энергии. Ещё до массового использования клееных деревянных конструкций дерево хорошо зарекомендовало себя в частном малоэтажном жилом строительном сегменте рынка. Внедрение новой технологии может стать выгодным новым производством на рынке строительных материалов, открывая возможности применения инженерной древесины [3].

(1) WoodLife Environmental Consultants, Corvallis, OR. maureen.puettmann@woodlifeconsulting.com
(2) Dept. of Wood Science and Engineering, Oregon State University, Corvallis, OR. arijit.sinha@oregonstate.edu
(3) Center for International Trade in Forest Products, School of Environmental and Forest Sciences, University of Washington, Seattle, WA. indro@uw.edu

Древесина обладает хорошим соотношением массы к прочности, высокими теплоизоляционными показателями, а также акустическими свойствами. Клееная древесина хорошо зарекомендовала себя для большепролетных конструкций. Из нее получаются отличные балки, колонны, изолирующие оболочки, стеновые каркасы, стеновые панели, напольные покрытия и многое другое. Нельзя не учесть анизатропность материла с точки зрения сейсмической активности. Конструкции из дерева подходят для районов с высоким уровнем сейсмичности, их использование касается зданий различного назначения и даже таких сложных инженерных объектов, как мосты. Это связано с такими положительными характеристики материала, как легкий вес, вязко-упругость, легкая деформируемость по сравнению со сталью и бетоном [3].

За прошедшие два десятилетия технология обработки дерева шагнула далеко вперед. Современная инженерная клееная древесина делится на несколько видов: LVL – «пиломатериал из слоёного шпона»; CLT – панели, поперечно-клеёные слои дерева; GLULAM – балки и колонны из клееной вдоль массива древесины.

Каждый вид конструктивной системы проходит около трех основных этапов обработки после стадии лесозаготовки: 1) стадия отслаивания древесной коры и поверхностных дефектов; 2) изготовление пиломатериалов, разрезка древесины на доски или слои шпона; 3) стадия технологической сушки с последующим соблюдением режима влажности хранения.

Полученные пиломатериалы в сочетании с клеями становятся основой для различных инженерных строительных изделий: панелей, балок, колонн. На сегодняшний день конструкции CLT активно внедряются в коммерческий сектор высотного строительства. Эти панели представляют собой склеенные перпендикулярными слоями пиломатериалы. Полученная таким образом конструкция обладает рядом экологических преимуществ: панель служит естественным хранилищем углерода; производство таких конструкций практически безотходно; CLT конструкция легкая и обладает хорошими прочностными, сейсмическими, тепловыми характеристиками и противопожарными показателями.

Прекрасным примером применения такой технологии в строительстве является построенное здание Brock Commons Building в Ванкувере [4]. Проект выполнен преимущественно с использованием CLT-панелей. Железобетон также применялся, но в качестве внутреннего ядра жесткости. Высокая экологичность здания с точки зрения энергопотребления и климатического воздействия подтверждается методологической оценкой жизненного цикла здания LCA (Life Cycle Assessment – оценка жизненного цикла зданий) (рис. 1,2).

Рис. 1. Строительство Brock Commons Building в Ванкувере (дата съемки – май, 2016)

ОЖЦ (LCA) входит в ГОСТ Р ИСО 14040-2010. Основные расчеты ведутся в соответствии с рекомендациями, изложенными в этом документе. Рассматривается ряд показателей по этапам, в которые входит процесс проектирования здания вместе с поставкой и изготовлением строительных элементов. Важную роль играют данные, полученные после введения здания в эксплуатацию, а именно – рассматриваются коммунальные услуги, расход воды, электричества, отопления. Согласно детальному американскому исследованию [5] влияние лесозаготовительных действий на оценку ОЖЦ для CLT и LVL конструкций оказалось незначительным, что говорит об эффективности их использования в рамках парадигмы устойчивого развития.

Рис. 2. Студенческое общежитие Университета Ванкувера Brock Commons Building (дата съёмки – июль, 2019)

На российском рынке CLT-панели только начинают свое развитие. Производство данных конструкций активно продвигает группа компаний «Сегежа». Компания совместно с архитектурной мастерской Тотана Кузембаева разработала концептуальный проект Wood City для застройки района Камушки в Москве. В рамках концепции было предложено сохранить существующие пятиэтажки, расширив дома с помощью надстроек с применением CLT конструкций (рис. 3).

Рис. 3. Архитектурная мастерская Тотана Кузембаева, Woodcity, визуализация 2018 г.

 Композитные соединения материалов. Последние исследования в области применения CLT-панелей показывают, что их характеристики могут быть улучшены за счет применения бетонного основания. Группа ученых из университета Лаваль в Канаде экспериментально продемонстрировала преимущества совместного использования двух материалов. При соединении древесины с бетоном получается более эффективная конструкция с точки зрения прочности, жесткости, вибро- и звукоизоляции. Такие конструкции называются древесно-бетонные композитные панели (ТКС). В новых элементах эффективно используются преимущества обоих материалов: деревянная часть выдерживает силы натяжения, в то время как на бетонную приходятся силы сжатия. Вместе они принимают на себя изгибающий момент.

Выбор древесины. В странах Европы и в Канаде CLT-панели в основном производятся из таких пород дерева, как ель, сосна, пихта, дугласовая пихта, лиственница, южная сосна. Спрос на CLT-панели в последние годы вырос в несколько раз. Для улучшения производства были изучены особенности эксплуатации различных древесных пород, а также разработаны несколько видов модифицированных панелей таким крупным производителем, как Stora Enso. В данной области производства разными институтами по всему миру постоянно ведутся разработки клеевых связующих материалов [3, 4].

В азиатском сегменте рынка набирает популярность применение клееных конструкций на основе бамбука. Подобные инженерные изделия в основном производятся в Китае. Также как и CLT, они применяются в строительстве зданий и мостов. Сегодня все больше строительных и проектных организаций используют инженерный бамбук в качестве конструктивного материала. Такие конструкции получили названия: ламинированный бамбук (LBL), наборный бамбук (glubam) и параллельно-«прядевый» бамбук (Parallel- strand lumber, PSL) (рис. 4) [6].

Рис. 4 Пиломатериалы с параллельными прядями (англ. Parallel-strand lumber, PSL)

На рисунке 4 показан соединительный узел несущей колонны библиотеки, выполненный с применением технологии PSL в США. Объект, расположенный в городе Лафейетт, построен в 2009 году. Авторы проекта Killefer-Flammang Architects. Для Северной Америки клееные конструкции PSL, LVL довольны популярны. В начале широкое применение они получили в сельской архитектуре, в частности, при строительстве амбаров. На сегодняшний день в США этот тип клееных деревянных конструкции активно внедряются и в жилой, и общественный сектор.

Соединительные материалы и клеевые связующие. Как для CLT, так и LBL широкое распространение в качестве связующего получил армированный стеклопластный клей (FRP). В настоящее время стеклопластиковые материалы считаются одним из лучших вариантов для усиления сцепления элементов различных конструкций, таких как дерево и бетон. Причиной широкого распространения именно этих клеевых связующих стала высокая прочность сцепления поверхностей и хорошие антикоррозионные характеристики. Сама технология появилась благодаря научным исследованиям, проводимым в 1990-х годах в США в Научно-техническом институте древесины в сотрудничестве с Университетом штата Орегон и компанией American Laminators, Inc. В результате совместных исследований было разработано такое связующее вещество, в котором в качестве главного элемента используется высокопрочный армированный волокном пластик (FRP). Оно получило название FiRP Armored panel (FiRP PR) и стало

использоваться в качестве нового связующего материала типа FRP для склеивания древесных слоев бруса и различных композитных материалов. Это связующее состоит из 100% выровненных высокомодульных волокон арамида, углерода и стекловолокна. При соединении с клеевым связующим эти компоненты становятся высокопрочным армированным клеем FiRP.

Идея использовать FRP-материалы в качестве армирующих связующих для деревянных элементов была предложена Николосом Плеврисом в 1992 году [7]. Позже, уже в 1996 году, группой канадских ученых во главе с Деном Тингли был разработан отдельный коммерческий запатентованный продукт, который состоял из клееного бруса, армированного стеклопластиком [8, 9]. Затем канадские ученые A.B. Дори и Р.Дж. Ченг впервые исследовали особенности использования углеродных и FRP соединений в качестве армирования клееных балок [10]. Согласно результатам их работ, прочность испытуемых образцов была значительно выше по сравнению с контрольными элементами, полученными классическим клеевым соединением. На основе проведенных ими опытов были разработаны разные типы армирующих элементов на основе FRP для усиления клееных деревянных элементов [8, 11].

Важным показателем исследований учёных стало соответствие FRP армирования требованиям LEED (Международный стандарт по энергоэффективному и экологическому проектированию). Но, поскольку FRP изготавливается на основе пластика, то возникает ряд вопросов, связанных с утилизацией и переработкой пластиковых отходов. Очевидно, что пластмасса, полученная из полимеров и мономеров, не всегда может быть переработана для вторичного использования. Согласно оценкам ученых в мире только 20-30% пластмасс могут быть переработаны и возвращены в свое изначальное состояние. Таким образом, армирование волокнами пластмасс связано с проблемами утилизации отходов. На сегодняшний день существуют два основных способа утилизации: сжигание связующих элементов с преобразованием полученной энергии в тепло и соответствующей фильтрацией при попадании выбросов в атмосферу; сжигание элементов в цементной печи, когда элементы преобразуются и становятся неотъемлемой частью литого материала [8].

Основная проблема утилизации данных соединений заключается в том, что FRP трудно разделить на основные материалы: волокно и матрицу, состоящую из углерода, арамида и стекловолокна, а матрицу – на полимеры и мономеры. В наше время использование пластмасс часто экономит энергию и ресурсы по сравнению с другими материалами, однако решение проблемы утилизации полученных изделий еще впереди. При разработке более экологических матриц соединения, таких как биопластики, УФ-разлагаемые пластмассы, FRP-технология приобретет более убедительную экологическую составляющую [8].

Дюбельные соединения. Для CLT панелей существует альтернативная технология для склеивания слоев. Вопросом – как улучшить свойства древесины без использования химических веществ? – задалась австрийская компания Thoma Holz GmbH. Соблюдая правильное время сушки древесины, а также время рубки леса в период сокового покоя (зимней спячки), она получает качественный материал, который устойчив к грибкам и насекомым.

Еще одним нюансом, который учитывает компания, является спил деревьев во время убывающей Луны. Согласно научным исследованиям, лунный цикл влияет на скопление воды в стволах (по принципу приливных волн в океане). Поэтому деревья, срубленные при убывающей Луне, в процессе сушки сохраняют больше воды в своей клеточной структуре. В итоге такая древесины больше сжимается и после своего высыхания становится плотнее и тяжелее.

Для соединения слоев древесины вместе компания Thoma Holz GmbH использует издревле известный метод – деревянные дюбели. За счет своего набухания эти соединительные элементы становятся идеальной альтернативой клеевым связующим. На протяжении человеческой истории дюбели использовали разные культуры. В древних храмах Азии жесткость соединения элементов обеспечивалась только дюбелями и штекерными соединениями уже тысячи лет назад. Компания Thoma Holz GmbH совместно с техническими университетами Вены и Карлсруэ провели исследования таких систем крепления и разработали особые CLT-панели с дюбелями, запатентованные, как HolziOO. Они представляют собой плоские деревянные элементы толщиной 364 мм, состоящие из поперечных и параллельных досок квадратного бруса, соединенных между собой дюбелями из бука. Эти панели, как и другие СLT-панели, изготовленные на основе клеевых соединений, могут также использоваться для несущих стен, перекрытий и других специальных изделий в области проектирования и в строительстве из дерева.

Таким образом, производство клееных деревянных конструкций может быть важной составляющей зеленого строительства. Использование в архитектурно-строительной отрасли СLT и LVL конструкций оказывает благоприятное влияние на окружающую среду, в частности, на снижение парникового эффекта. Необходимо развивать исследования, посвященные вопросам организации полного цикла производства с включением вопросов возобновления ресурсов. Отдельными составляющими таких исследований будет решение вопросов о сортах древесины, способах ее обработки, использовании оптимальных приемов соединения слоев изделий. Большие перспективы видятся в разработке композитных соединений (дерево + бетон). Актуальными остаются вопросы комплексного рассмотрения не только цикла производства, но и приемов использования произведенной продукции, ее эксплуатации и утилизации. Развитие подобных технологий отвечает требованиям парадигмы устойчивого развития и устойчивой архитектуры, представляющих сегодня главный вектор организации и функционирования общества XXI века.

Источники иллюстраций

Рис. 1, 2. Brock Commons Building в Ванкувере. Строительство Brock Commons Building в Ванкувере. Источник Googlemaps, панорамы улиц (дата обращения: 18.12.2020).

Рис. 3. Parallel-strand lumber, PSL. – URL: https://structurecraft.com/materials/engineered- wood/parallel-strand-lumber (дата обращения: 18.12.2020).

Литература

1.Valentini R., Matteucci G., Dolman A.J., Schulze E.-D., Rebmann C., Moors E.J. et al. Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests // Nature. – 2000. – Vol. 404. – P. 861–865.

2. Broadmeadow M., Matthews R. Forests, carbon and climate change: the UK contribution // For. Comm. Inf. – Note 48. – 2003. – P. 1–12.

3. Puettmann M., Sinha A., Ganguly I. Life cycle energy and environmental impacts of cross laminated timber made with coastal douglas-fir // Journal of Green Building. – 2019. – 14(4). – P. 17–33. 

4. Дементьев Д.А. Современный опыт строительства многоквартирных деревянных домов в зарубежных странах // Architecture and Modern Information Technologies. – 2020. – №1(50). – С. 95–108. – URL: https://marhi.ru/AMIT/2020/1kvart20/PDF/06_dementiev.pdf DOI: 10.24411/1998-4839- 2020-15006 (дата обращения: 25.01.2021).

5. Bowers T., M.E. Puettmann I. Ganguly, Eastin I. Cradle-to-gate life-cycle assessment of glue-laminated (glulam): Environmental Impacts from glulam produced in the US Pacific Northwest and southeast // Forest Products Journal. – 2017. – № 67(5/6). – P. 368–380.

6. Li Z., Zhou R., He M., Sun X. Modern timber construction technology and engineering applications in China // Proc. Inst. Civ. Eng. Civil Eng. – 2019. – № 172(5). – P. 17–27.

7. Plevris N., Triantafillou T.C. FRP-reinforced wood as structural materials // J. Mater. Civil Eng. – 1992. – № 4(3). – P. 300–317.

8. Tingley D.A. High-strength fiber-reinforced plastic of wood and wood composite // 41st international society for the advancement of material and process engineering (SAMPE) symposium. – Anaheim, California, 1996. – P. 667–673.

9. Tingley D.A. Over a decade of research results in new, improved glulam // Canadian Consulting Engineer. – 1996. – P. 24–28.

10. Dorey A.B., Cheng R.J. Development of composite glued laminated timber. Canadian Forest Service Cat // Fo42-91/146-1996E. Canadian-Alberta Partnership Agreement in Forestry. – Edmonton, Alta, 1996.

11. Hindman D.P., Bouldin J.C Mechanical properties of southern pine cross-laminated timber // Journal of Materials in Civil Engineering. – 2015.

Exit mobile version