Новая конструктивная система крупноблочного домостроения из клееной древесины

Турковский С. Б., Погорельцев А. А. Новая конструктивная система крупноблочного домостроения из клееной древесины. Вестник НИЦ «Строительство», 1(28)2021. УДК 694.1:69.07. https://doi.org/10.37538/2224-9494-2021-1(28)-55-62

Президент Российской Федерации в июле 2020 г. отмечал, что появился «исторический шанс» обеспечения населения жильем в кратчайшие сроки и на основе «отечественного потенциала». Проблема связана с реализацией национальных проектов, освоением новых месторождений нефти и газа, районов Арктики, переселением из ветхого жилья и др.

Одним из направлений решения жилищной проблемы является создание подотрасли крупноблочного домостроения из клееной древесины на базе, имеющегося уже в этой области, научного потенциала, и путем более эффективного использования существующих в России свободных мощностей.

Прототипом предлагаемой конструкции является применявшаяся в покрытиях производственных зданий в 30-х годах прошлого века гвоздевая деревоплита [1]. Из-за биоповреждений использование деревоплиты в строительстве, было свернуто. Однако в мостостроении дощато-гвоздевая деревоплита в пролетном строении применяется до сих пор. Имеются рекомендации по расчету и проектированию [2]. Ведутся исследования по совершенствованию конструкции деревоплиты из клееной древесины для автодорожных мостов [3].

В домостроении первый опыт применения крупных клееных деревянных плит для стен и перекрытий известен более 40 лет. В Архангельске на предприятии «Красный Октябрь» инж. С. Н. Пластининым была создана отечественная технологическая линия склеивания крупноразмерных плит из низкосортного пиломатериала и короткомера для стен и перекрытий жилых, сельскохозяйственных, производственных и др. зданий (рис. 1).

В ходе перестройки, передовое в отрасли деревообработки предприятие «Красный Октябрь», а вместе с ним – и интереснейший опыт крупноблочного домостроения из клееной древесины прекратили существование. Здания из крупных блоков в Архангельской области представляют уникальный опыт, который подлежит изучению и развитию.

Положительный частный опыт применения крупных клееных блоков в коттеджном строительстве имеется в Подмосковье. Но, несмотря на очевидные преимущества и перспективы, отечественный опыт крупноблочного домостроения развития не получил.

Вернуться к этому вопросу побудила возросшая активность исследований и работ за рубежом и в РФ в области крупнопанельного домостроения с использованием перекрестно-клееной древесины – ДПК (CLT – cross laminated timber) [4, 5]. Панели изготавливаются размером на комнату по особой технологии из перекрестно-склеенных досок в 3, 5 или 7 и более слоев. Они применяются в жилищном домостроении по бескаркасной и каркасной схемам.

В зарубежной практике имеется опыт строительства многоэтажных зданий гостиниц и жилых домов, ведутся обширные исследования, создана технологическая база, работают предприятия по выпуску панелей. В России также приобретено зарубежное оборудование и построены ряд заводов, налажен выпуск панелей, но отсутствует нормативная база по проектированию зданий в этой системе. В лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК проводятся комплексные исследования выпускаемых в стране панелей с целью изучения их расчетных характеристик и разработки нормативной документации (рис. 2, 3 и 4).

Развитие крупнопанельного деревянного домостроения с применением ДПК (CLT) в России будет способствовать решению жилищной проблемы и займет свое место в строительном комплексе. Однако упомянутые опытные предприятия – это небольшая часть общей потребности, а зависимость от импортных поставок дорогостоящего оборудования не соответствует тенденциям импортозамещения и развития отечественного потенциала.

В ЦНИИСК продолжаются работы по созданию альтернативного направления в деревянном крупноблочном домостроении, но на основании отечественного оборудования и отечественных наработок в части исследований новых узловых соединений системы ЦНИИСК в большепролетных конструкциях из клееной древесины.

Цель предложения состоит в создании новой подотрасли крупноблочного домостроения из клееной древесины на основе свободных производственных мощностей, имеющегося научного потенциала и опыта ЦНИИСК для решения проблемы обеспечения населения жильем и социальными объектами в кратчайшие сроки.

Суть предложения заключается в разработке новой отечественной системы деревянного крупноблочного домостроения для строительства 2-4-этажных зданий по бескаркасной и смешанной схемам на первом этапе, и в последующем – многоэтажных каркасных сооружений. Основу системы составляют крупные блоки из клееной древесины для зданий преимущественно с вертикальной разрезкой стен на несколько этажей. В заводских условиях стеновые блоки оснащаются закладными деталями для соединения между собой и с блоками перекрытий из клееной древесины. Для анкеровки соединительных деталей в древесине используются хорошо изученные и широко применяемые в России соединения на вклеенных стержнях системы ЦНИИСК [6].

Размеры блоков определяются архитектурными требованиями проекта с учетом технологических возможностей оборудования предприятий-изготовителей и транспортных габаритов для перевозки любыми видами транспорта. Толщина блоков принимается кратной ширине пиломатериала – от 100 до 200 мм, ширина блоков может достигать 2 м (по ширине фрезеровальных станков). Длина блоков может быть до 12 м и более. Существующие технологические линии позволяют легко корректировать размеры блоков в рамках упомянутых габаритов.

При вертикальной разрезке несущая способность клееных деревянных блоков соизмерима с аналогичными конструкциями из кирпича или бетона, и для блока сечением 140×1000 мм при осевом сжатии превышает 150 т; при нагрузке от каждого этажа примерно 2 т/м в клееном блоке в работу вовлекается всё сечение. Заметим, что в клееных панелях CLT из-за анизотропии древесины при перекрестном склеивании слоев в работе не участвуют поперечные слои. С наружной стороны блоки утепляются и облицовываются фасадной системой.

Для изготовления клееных блоков стен и перекрытий в системе ДКБД используется пиломатериалы низших сортов – 3- или 4-го, т. е. практически без удаления дефектов, за исключением загнивания и засмолков. Это существенно повышает эффективность предлагаемых конструкций в сравнении с традиционными клееными деревянными типами балок постоянного по длине сечения.

При этом сохраняется техническая и нормативная документация по расчету и изготовлению конструкций. Остаются, в основном, неизменными требования и расчетные характеристики соединений для крепления стен и перекрытий между собой или с каркасом на наклонно вклеенных стержнях по системе ЦНИИСК [7,8].

В процессе разработки системы деревянного крупноблочного домостроения потребуются исследования и экспериментальная проверка новых технических решений и узлов сопряжения стен и перекрытий с применением новых видов соединений, исследуемых в ЦНИИСКе [9].

Блоки перекрытий аналогично стеновым по толщине также могут быть до 200 мм и обладают высокой прочностью на изгиб даже при использовании пиломатериала 3-го сорта, существенно превышающей расчетную. Однако при ослаблении требований к сортности пиломатериалов, требования к качеству склеивания блоков сохраняются такими же, как и для клееных несущих конструкций по ГОСТ 20850-2014. Отметим, что в блоках перекрытий при изгибе в работе участвует всё сечение по высоте, в то время как в панелях CLT из-за горизонтального и перекрестного расположения слоев – только слои с направлением досок вдоль пролета.

Экспериментальные исследования показали, что момент инерции плит перекрытия из ДПК значительно уступает плитам из ДКБД. Так, у плиты ДКБД толщиной 140 мм момент инерции, пропорциональный прогибам, более чем на 25% превышает имеющийся у 7-слойной плиты из ДПК с толщиной слоев 20 мм или у 5-слойной с толщиной слоев 28 мм той же толщины 140 мм.

По периметру стен блоки перекрытия опираются на закладные детали и являются конструкциями обвязки, объединяющими стеновые блоки. По контуру стены и перекрытия соединяются дополнительно клееввинченными стержнями (КВС), исследованными в ЦНИИСКе (канд. техн. наук Смирнов П. Н.) [9]. КВС используются также для объединения блоков перекрытия между собой в жесткий диск.

В целом такая конструкция здания способна воспринимать значительные сейсмические нагрузки, что существенно расширяет область рационального их применения. Подтверждение этого должно составить большую часть исследований, в т. ч. экспериментальных.

Области применения зданий из деревянных крупных блоков во многом аналогичны крупноблочному строительству из бетона, обычно это жилищно-коттеджное домостроение до 4 этажей. При этом снимаются вопросы транспортировки конструкций обычным транспортом, исключаются уязвимые горизонтальные поэтажные швы и сложности с устройством лифтов.

Кроме жилья, блочные конструкций эффективны в зданиях с коридорной планировкой и регулярной системой помещений (типа школ, поликлиник, гостиниц, административных зданий и т. п.).

В последующем область применения предлагаемой системы может быть распространена на здания большей этажности с ядром жесткости в виде лифтовых шахт, лестничных клеток и каркасной конструкции.

Для жилых и общественных зданий представляет интерес комбинация двух типов конструкций, когда стены выполняются из ДПК (CLT), а перекрытия – из клееных блоков. При этом используются положительные свойства каждого типа конструкций. Для стен используются панели шириной до 3 м, имеющие стабильные размеры при эксплуатации с меняющимися температурно-влажностными условиями. Клееные блоки обладают значительно большей изгибной жесткостью, что может быть определяющим для перекрытий.

Новая отечественная конструктивная система ДКБД, в том числе в комбинации с ДПК (CLT), сохраняет все достоинства древесины: экологичность, возобновляемость ресурсов, неповторимую эстетичность текстуры и «теплоту» материала. Ее ориентация на отечественные разработки и исследования, готовность предприятий к производству без существенных преобразований, обеспечат ей свое место и перспективу в строительном комплексе.

Заключение

1. Предлагаемая отечественная система крупноблочного домостроения из клееной древесины (ДКБД) ориентирована на имеющиеся в России научную и производственную базу, которые в кратчайшие сроки обеспечат дополнительные резервы для решения проблем жилищного и социального строительства.
2. Система ДКБД сохраняет все достоинства клееной древесины и в сравнении с системой ДПК (CLT) имеет более высокую прочность при изгибе из плоскости и при сжатии, отличается возможностью широкого применения соединений системы ЦНИИСК, обеспечивающей большую жесткость зданий, в т. ч. при сейсмических воздействиях.
3. Для крупных клееных блоков допускается низкосортный пиломатериал (3-го сорта и ниже) с большой толщиной слоя (45 мм), что снижает себестоимость.
4. Крупные блоки оснащаются закладными деталями, обеспечивая высокую пространственную жесткость всего здания.
5. Система ДКБД в комбинации с ДПК (CLT) применима для строительства многоэтажных жилых и общественных зданий, а также для зданий типа школ, больниц, гостиниц, поликлиник, детсадов и т. п.
6. На стадии освоения новой конструктивной системы ДКБД допустимо использование существующей нормативной документации, потребуется лишь проведение НИИОКР для подтверждения надежности технических решений, принятых в проектах зданий.
7. Разработка системы ДКБД позволит создать дополнительный резерв мощностей в строительном комплексе для скорейшего решения жилищной и др. проблем.

Библиографический список

1. Карлсен Г.Г. Курс деревянных конструкций. Гос. изд. строит. лит., 1942-1943. – Т. 1-2, 634 с.
2. Уткин В.А., Пузиков В.И. Дощато-гвоздевые пролетные строения мостов. – Омск: издательство СибАДИ, 2001. С. 190
3. Уткин В.А. Совершенствование конструкций пролетных строений автодорожных мостов из клееной древесины. – Автореф. … д-ра техн. наук. Омск, 2009. 39 с.
4. Grasser K.K. Development of cross laminated timber in the United States of America. A Thesis presented for the master of science degree. The University of Tennessee, Knoxville. August 2015. P. 115.
5. The future of Timber Construction CLT – Cross Laminated Timber. A study about changes, trends and technologies of tomorrow. Zukunftsinstitut GmbH, June 2017. P. 108
6. Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Преображенская И.П. Клееные деревянные конструкции в современном строительстве (системы ЦНИИСК). – М.: РИФ «Стройматериалы», 2013. 300 с.
7. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП ІІ-25-80.
8. СП 382.1325800.2017 Конструкции деревянные клееные на вклеенных стержнях. Методы расчета.
9. Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Филимонов М.А., Стоянов В.В. Патент на изобретение № 2478157С1 Способ образования клеевинтового соединения деревянных конструкций и клеевинтовое соединение деревянных конструкций. «НИЦ «Строительство», 28.09.2011 г. Опубл. 27.03.2013.

Авторы:

Станислав Борисович ТУРКОВСКИЙ, д-р техн. наук, заведующий сектором деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство», Москва. e-mail: tsniiskldk@yandex.ru тел.: +7 (499) 174-77-45

Александр Алексеевич ПОГОРЕЛЬЦЕВ, канд. техн. наук, заведующий лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство», Москва Alexander POGORELTSEV, Ph. D. (Engineering), Load-bearing wood structures laboratory. e-mail: pagara@yandex.ru тел.: +7 (499) 174-77-45