CC BY
40
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 691
DOI: 10.22227/1997-0935.2022.4.463-475
Алгоритм разработки расчетной модели деревянного
многоэтажного здания
Михаил Александрович Коновалов, Галина Леонидовна Козинец
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); г. Санкт-Петербург,
Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Строительство деревянных многоэтажных зданий в России с каждым годом становится более актуальным. Появление новых технологий делают это направление перспективным. Цель исследования — иллюстрация этапов проектирования, способствующая успешной разработке проектов многоэтажных зданий, где древесина используется как основной материал несущих конструкций. В качестве демонстрации процесса создания деревянного сооружения, руководствуясь предложенным алгоритмом, показаны итоги разработки модели многоэтажного здания из дерева. Для дальнейшего анализа рассматриваемой модели многоэтажного здания предложены результаты проведенных расчетов по несущей способности основных элементов конструкции здания.
Материалы и методы. Для общего представления этапов разработки данного вида объектов приводится алгоритм их проектирования, который позволяет упорядочить процесс выбора конструктивных элементов, акцентировать внимание на ключевых моментах процесса проектирования, что облегчает проектирование такого рода конструкций. В качестве несущих элементов предлагается использование деревянных комплектующих из перекрестно склеенной древесины CLT (Cross Laminated Timber), материалов из слоеного шпона LVL (Laminated Veneer Lumber) и клееных деревянных брусьев. Расчеты несущей способности конструкций проводились с учетом программного комплекса Autodesk Robot Structural с соблюдением действующей нормативной документации.
Результаты. Разработана модель многоэтажного здания из дерева на базе реализованного проекта общественного ^ ? здания с помощью предложенного алгоритма разработки проекта. Создание рассматриваемой модели многоэтажно- ш о го деревянного здания выполнялось с применением программных продуктов трехмерного проектирования с после- з Н дующим проведением расчетов в программе Autodesk Robot Structural. Получены результаты изгибающих и внутрен- к них усилий. 3_
Выводы. Благодаря проработке ключевых вопросов на начальных этапах проектирования можно исключить или S Г минимизировать ошибки при дальнейшем строительстве деревянного здания, поскольку выявленные недостатки ^ О на стадии строительства приведут к дополнительным финансовым затратами или приостановке проекта. • ф
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: современное строительство, CLT-панели, деревянные конструкции, древесина, модели- § S рование несущих конструкций, многоэтажные деревянные здания, алгоритм проектирования, экологическое строи- l 1 тельство J 9
О -
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Коновалов М.А., Козинец Г.Л. Алгоритм разработки расчетной модели деревянного много- n о
этажного здания // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 4. С. 463-475. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.4.463-475 Ф 3
о ф ф (
Автор, ответственный за переписку: Михаил Александрович Коновалов, [email protected]. q i
Algorithm for developing a computational model of a wooden multi-storey building
CO CO
l\J CO
0
1
cn
Mikhail A. Konovalov, Galina L. Kozinets c 0
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU); St. Petersburg, Russian Federation e о
uu i
ABSTRACT ф )
Introduction. The idea of building wooden multi-storey buildings in Russia is becoming more and more relevant every year. ^ •
The emergence of new technologies makes this area of construction promising. The purpose of the article is to illustrate О °
the stages of design, which will contribute to the successful development of projects of multi-storey buildings, where wood § Ф
is used as the main material of load-bearing structures. As a confirmation of the correctness of these algorithms, the results ^ 7
are demonstrated. 1 Ф
Materials and methods. For a general representation of the stages of construction of this type of objects, an algorithm ф И
for their design is given, which allows to streamline the process of selecting structural elements, to focus on the key points jf 5
of the design process, which ultimately facilitates the complexity of designing this kind of structures. The use of wooden u 0
components made of CLT, LVL and glued wooden columns is proposed as bearing elements. Calculations of structures were ф я
carried out taking into account the software package in compliance with the current regulatory documentation. , ,
Results. After analyzing the key aspects according to the developed algorithm, it is necessary to proceed to solving the main ° °
issue of the development of the building's load-bearing system. The creation of the model in question was carried out О О
using three-dimensional design software products, followed by calculations by Autodesk Robot Structural. With the help ° ° of the calculation program, the results of bending and internal stresses were obtained. Based on the results of calculations
© М.А. Коновалов, Г.Л. Козинец, 2022 463
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
of the load-bearing structural elements, a comparative analysis of the load-bearing characteristics in various types of structural systems was performed.
Conclusions. Thanks to the competent study of key issues at the initial stages of design, it is possible to achieve a balanced model of a multi-storey wooden building, which is successfully implemented by builders.
KEYWORDS: high-rise construction, CLT panels, wooden structures, wood, modeling of load-bearing structures, multistorey wooden buildings, design algorithm, ecological construction
FOR CITATION: Konovalov M.A., Kozinets G.L. Algorithm for developing a computational model of a wooden multi-storey building. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(4):463-475. DOI: 10.22227/19970935.2022.4.463-475 (rus.).
Corresponding author: Mikhail A. Konovalov, [email protected].
N N N N О О N N
¡г (u
U 3
> (Л
с и U N
il Л ?
<D <D
О ё
(Л
сл
Е о
CL °
^ с
ю °
S й
о ЕЕ
О) ^
т- ^
W
ел
5 (9
ix
iС-В
О И
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в России задумываются о строительстве деревянных многоэтажных зданий, с каждым годом эта идея становится более актуальной. Появление новых технологий делает это направление строительства перспективным [1-3].
В Европе все чаще реализуются варианты строительства многоэтажных зданий из дерева [4-7]. Выгода от применения деревянных конструкций позволяет осуществлять строительство данных домов наряду с общепринятыми многоэтажными зданиями, в которых основным материалом для несущих конструкций являются металл и железобетон (ЖБ). Главный плюс такого строительства — экологичность производства материалов, что неоднократно подчеркивалось в различных научных работах [3, 8-10]. К другим преимуществам древесины можно отнести: упругость, низкую плотность и отсутствие коррозии. В целом перечисленные характеристики делают деревянные конструкции легкими, имеющими высокую степень сейсмоустойчивости [11].
Цель статьи заключается в иллюстрации этапов проектирования, тем самым упорядочивании хода проектирования здания между всеми участниками проекта, что позволяет структурировать процесс разработки концепции многоэтажного деревянного здания. Предполагается, что структуризация процесса проектирования будет способствовать успешной разработке проекта многоэтажного здания, где древесина используется как основной материал несущей конструкции. В качестве подтверждения правильности указанных утверждений продемонстрированы результаты расчетов несущей способности разработанной модели многоэтажного деревянного здания, основой для которой послужил реализованный проект многоэтажного здания из монолитного ЖБ.
Практичная значимость состоит в расширении области применения деревянных конструктивных элементов в строительстве многоэтажных зданий. Также результаты исследований дают обоснованные методики испытаний и анализа несущей способности строительных конструкций из дерева.
с МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Прежде чем приступить к разработке проекта многоэтажного здания из дерева, необходимо выпол-
нить предварительную проработку ключевых аспектов в нескольких направлениях.
Представленный на рис. 1 укрупненный алгоритм разработки модели многоэтажного деревянного здания создан на основе многочисленных спроектированных моделей несущих конструкций многоэтажных зданий, где древесина реализуется в качестве основного материала.
Во-первых, при разработке предполагаемой модели деревянного здания следует уделить внимание архитектурным требованиям на стадии устройства внутренней планировки в соответствии с ключевыми аспектами (рис. 2), учитывая большие габариты деревянных элементов и расположение дополнительных элементов несущей конструкции. Как показывают предварительные расчеты деревянных конструкций [12], сечения деревянных элементов имеют большие размеры по сравнению с аналогичными ЖБ или металлическими колоннами в плане. Увеличение габаритов деревянных конструкций объясняется несколькими причинами: повышением несущей способности конструкции и огнестойкости, т.е. снижением скорости сгорания древесины (обугливания) за счет роста объема древесины [13-15].
Стоит учитывать высокий профиль деревянных балок перекрытия по сравнению с аналогичными балками из стали или ЖБ. Эта особенность диктует соблюдение оптимальной высоты этажа для комфортного пребывания людей и прокладки инженерных коммуникаций в верхней части помещений в уровне потолка. Также из-за больших размеров несущих элементов на стадии проектирования здания необходимо принимать во внимание требования освещенности внутреннего пространства помещений. Расположение колонн должно минимально препятствовать проникновению света к отдаленным точкам помещения. Следует найти компромисс между площадью световых проемов и связанными с ними те-плопотерями.
Во-вторых, требуется решить вопросы пожарной безопасности, которые указаны на рис. 3. С учетом вышесказанного древесина обладает хорошими показателями по огнестойкости конструкций, так как во внешних слоях древесины при обугливании образуется слой, изолирующий доступ кислорода, тем самым не поддерживая процесс горения [16, 17]. Таким образом, степень огнестойкости деревянных
Рис. 1. Укрупненный алгоритм разработки модели многоэтажного деревянного здания Fig. 1. An enlarged algorithm for developing a model of a multi-storey wooden building
конструкций не уступает показателям ЖБ конструкций, что делает деревянные конструкции альтернативным вариантом для использования в качестве несущих элементов здания с точки зрения пожарной безопасности [12].
Архите ктурные требования
Architectural parameters
Высота этажа Floor height
Планировка Planning
Естественное
освещение Natural daylight
Рис. 2. Ключевые аспекты архитектурных требований Fig. 2. Key aspects of architectural requirements
При проведении исследований несущей способности деревянных элементов при действии пожарной нагрузки определили, что конструктивные элементы соответствуют установленным нормам противопожарных требований в отношении степени огнестойкости [16, 17].
Для увеличения продолжительности огнестойкости предусматривается применение различных видов защиты конструкции из древесины. На стадии проработки проекта необходимо подобрать меры
противопожарной пассивной защиты основных несущих элементов здания.
Из большинства способов по обеспечению требуемой степени огнестойкости деревянных конструкций сегодня используют два варианта защиты: конечное обугливание конструкции или изоляцию элементов негорючими материалами [16, 17]. Главная задача при выборе мер по обеспечению требуемой степени огнестойкости конструкций заключается в поиске компромисса между наименьшим размером конструкции при изоляции негорючим материалом и эстетичным видом конструкций. В случае отказа от изоляции деревянных конструкций негорючим материалом, следует увеличить размеры поперечных сечений для защиты элементов при пожаре путем обугливания. При изоляции конструкций негорючим материалом размеры сечения деревянных конструкций можно уменьшить на величину обугливания, но исчезает эстетичная составляющая проекта.
В ходе разработки конструкции здания стоит уделить внимание созданию комфортной обстановки для находящихся внутри людей. В связи с этим необходимо решить ряд вопросов, таких как звукоизоляция, теплоизоляция, герметичность в местах соединения элементов, поддержание комфортного температурно-влажностного режима (ТВР) и устойчивость конструкций при действии динамических нагрузок, вызванных ветровыми или сейсмическими воздействиями (рис. 4).
< п
tT
iH
О Г s 2
0 м
t СО
1 z y i
J CD
u s
r i
n °
» 3
о »
oî
о n
со со
n M » 0 » 66
• )
mM
® 7
. DO
■ г
s □
s У с о <D Ж
, ,
M 2 О О 10 10 10 10
сч N
N N
О О
N N
К (V U 3 > (Л
с и U N
ÏÎ Л ï
<U О)
О %
(Л (Л
Е о
CL ° ^ с
ю о
s !
о ЕЕ
fee
СП ^ т- ^
<л
(Л
2 3
Si
О (Я
Рис. 3. Ключевые аспекты пожарной безопасности конструкций Fig. 3. Key aspects of fire safety of structures
ментов у основания здания, иначе появится риск опрокидывания конструкции здания [18]; уделять внимание разработке фундамента с целью придания ему устойчивости для противодействия опрокидыванию (рис. 5).
Рис. 4. Главные аспекты комфорта внутри здания Fig. 4. Key aspects of comfort inside the building
Ввиду малого веса здания из дерева вертикальные нагрузки на фундамент уменьшаются, но возрастает риск опрокидывания многоэтажного здания из-за легкости конструкции по сравнению с конструкцией из монолитного ЖБ. Поэтому на стадии разработки проекта рекомендуется учитывать ключевые аспекты устройства основания здания: избегать растягивающих усилий вертикальных несущих эле-
Рис. 5. Основные аспекты устройства основания здания Fig. 5. Key aspects of the foundation of the building
Увеличение жесткости конструкции многоэтажного деревянного здания зависит от наличия жестких и прочных узлов соединений, особенно в районе крепления к фундаменту здания, что способствует уменьшению деформации конструкции здания. Несмотря на то, что удобство обслуживания соединений с оптимальными габаритами является решающим фактором выбора типа соединений, недостаточная жесткость некоторых элементов может привести впо-
следствии к снижению несущей способности здания в целом. В то же время, когда конструкция спроектирована с учетом предела несущей способности крепежных деталей, а деформация при соответствующей нагрузке выше, чем прочность их соединений, эта система выйдет из строя.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
После анализа архитектурных аспектов и проработки вопросов пожарной безопасности, комфортного пребывания внутри здания, жесткости соединений и основания здания, следует переходить к решению главной задачи по разработке несущей системы здания.
Решение данного вопроса состоит из трех направлений согласно алгоритму выбора (рис. 6). Ключевой областью исследования является выбор конструктивной схемы здания. Многоэтажные каркасные здания состоят из отдельных элементов, выполняющих в общей системе определенные функции. В за-
висимости от вида конструктивной схемы каркаса многоэтажные здания можно разделить на бескаркасные, каркасные, смешанные.
Деревянные несущие конструкции рационально применять в каркасных и смешанных системах. Использование тех или иных систем в большей степени зависит от высоты здания.
При выборе несущей системы для многоэтажного деревянного здания наиболее целесообразными, исходя из работ [19-24], будут обычная рамная, свя-зевая и рамно-связевая с диафрагмами жесткости или внутренним стволом.
По итогам анализа конструктивных систем для проектируемого здания остается выбрать материал для несущих элементов и типы их соединений. В данном случае выбор типа материалов и соединений зависит от характера работы элемента, степени вклада в общую устойчивость здания и условий работы.
Для наглядности применения алгоритма проработки проектируемой модели разработана модель здания на основе статьи [25].
< п
шт
зН О Г
0 сл
t СО
1 z y 1
J со
u -
r i
n °
ф 3
o ф
Qi
о n
Рис. 6. Ключевые аспекты выбора несущей конструкции здания Fig. 6. Key aspects of the choice of the supporting structure of the building
со со
a 0 Ф 66
tt ( g о
• )
ii
® 7
. DO
■ т
s □
s У
с о
<D Ж
О О
о о
10 10
10 10
За исходную модель было принято здание бизнес-центра (рис. 7). Центр обслуживания населения находится по адресу: г. Санкт-Петербург, Богатырский пр-т, д. 3.
Расчет здания и подбор сечений ЖБ элементов выполнены с помощью системы конечно-элементного анализа ЛИРА-САПР (рис. 8, а).
Исследуемое здание имеет 16 этажей. Размер здания в плане составляет 27 х 44 м. Степень огнестойкости здания — II, класс конструктивной пожар-
ной опасности — С0. Внутренние стены — железобетон 200 мм, сечение колонн — 500 х 500 мм, толщина железобетонных перекрытий — 220 мм, наружные стены — самонесущие кирпичные. Облицовка — вентилируемый фасад.
Модель моделировалась при помощи программного продукта Autodesk Revit, графическое представление которой показано на рис. 8, b.
В данном случае использование программы Revit позволило создать пространственную модель
N N N N О О N N
К (V U 3 > (Л
с и U N
ÏÎ <D <D
О %
Рис. 7. Эталонное здание (бизнес-центр) Fig. 7. Reference building (business center)
<Л (Л
E о
DL° • с LO О
si
о EE fe о en ^
£
22 J > A
r si
О И
a b
Рис. 8. Расчетные модели: a — эталонное здание (расчет в ЛИРА-САПР); b — концепция деревянного здания (расчет в Autodesk Robot Structural)
Fig. 8. Calculation models: a — reference building (calculation in LIRA-CAD); b — the concept of a wooden building (calculation in Autodesk Robot Structural)
здания, аналитическая модель которой впоследствии переносится в расчетный комплекс Robot Structural в качестве расчетной модели. Расчетная схема в Robot Structural (стены, перекрытия и элементы крыши) импортируются в программу как пластинчатые и линейные элементы (рис. 9).
Расчеты конструкций проводились с учетом программного комплекса согласно действующей нормативной документации1, 2 3.
Расчет в Robot Structural выполнялся методом конечных элементов. Пространственная расчетная схема представлена в данном проекте системой пластин и линейных объектов. После получения значений нагрузок, действующих на конструкцию, осуществляется последующее комбинирование нагрузок. Граничные условия опирания стен и колонн на фундамент назначены как линейные и единичные шарниры, ограничивающие перемещения во всех направлениях и разрешающие поворот.
Расчет горизонтальных элементов несущей конструкции произведен в соответствии с СП 64.13330 «Деревянные конструкции».
Изгибаемые элементы конструкции следует рассчитывать по двум предельным состояниям на прочность по нормальным, касательным напряжениям и на прогиб.
Проверке по двум группам предельных состояний подлежит суммарный относительный прогиб под действием длительной нагрузки (комбинация нагрузок от собственного веса, нагрузки от снега).
Расчет вертикальных элементов: колонны и стены рассматриваются как сжато-изгибаемые элементы. Расчет проводится на прочность и устойчивость. Горизонтальные сечения стен проверяются расчетом на прочность.
На прочность проверяются все несущие элементы здания отдельно, после чего выполняется сбор основных усилий и напряжений в главных точках несущего элемента конструкции. По итогам расчета необходимо сделать сопоставительный анализ основных усилий при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок, действующих на конструкцию здания.
По итогам расчетов вклад в общую несущую способность деревянных перекрытий крайне мал, они служат лишь для передачи вертикальных и горизонтальных нагрузок на вертикальные элементы конструкции. Также при исследовании конструкции не наблюдались изменения значений по несущей способности на разных этажах здания. Таким образом, для оптимизации исследования результаты рас-
четов по несущей способности перекрытий в настоящей статье приводиться не будут.
1 СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80*. М., 100 с.
2 СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. М., 80 с.
3 ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. М., 14 с.
Рис. 9. Разработанная модель в виде рамно-связевой системы с диафрагмами жесткости Fig. 9. The developed model in the form of a frame-coupling system with stiffening diaphragms
Для наглядности алгоритма создания расчетной модели многоэтажного здания из дерева была реализована модель многоэтажного деревянного здания на базе эталонного здания, несущие конструкции которого выполнены из монолитного ЖБ. Несущие элементы эталонного здания заменены на аналогичные конструктивные элементы из материалов на основе древесины.
В качестве системы несущей конструкции выбрана рамно-связевая конструкция с устройством диафрагм жесткости, которая показана на рис. 10.
Несущие колонны выполнены из клееного бруса, внутренние диафрагмы и перекрытия из CLT-панелей (англ. Cross Laminated Timber—перекрест-но склеенная древесина), а несущие горизонтальные элементы из LVL-балок (англ. Laminated Veneer Lumber — материал из слоеного шпона).
По итогам предварительных расчетов и оптимизации размеров получены размеры несущих элементов здания с учетом действия пожарной нагрузки. Предполагается, что степень огнестойкости конструкции будет достигнута при помощи метода обугливания конструкций, поэтому полученные оптимальные размеры сечений основных конструкций были увеличены на величину обугливания древесины. Ориентировочная величина обугливания приня-
< п
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 z y i
J CD
U
r i
n °
» 3
0 CJl
01
о n
CO CO
n NJ Ш 0
•)
mM
® 7
. DO
■ T
s □
(Л У
с о
<D X
, ,
О О
10 10
10 10
22 22
О О
22
¡г ai
U 3
> (Л
с и со N
il Л 5
Ф О)
О % ----
§ I g<
z ■ i
от*
от Е
— -ь^
Е §
CL ° ^ с Ю О
S g
О Е
О) ^ т- ^
£
от °
■а
£1
О И
Рис. 10. Расположение несущих элементов в плане Fig. 10. The location of the load-bearing elements in the plan
Размеры поперечных сечений несущих элементов исследуемой модели Dimensions of the cross-sections of the load-bearing elements of the model under study
Конструктивный элемент Structural element Используемый материал Material used
Перекрытие Overlap CLT- панели — 300 мм (210 мм) CLT-panels — 300 mm (210 mm)
Балки Beams LVL-брус — 650 x 250 мм (570 x 140 мм) LVL-timber — 650 x 250 mm (570 x 140 mm)
Стены Walls Ядро (ЖБ 300 мм), диафрагмы (CLT 390 мм) Core (RC 300 mm), diaphragm (CLT 390 mm)
Колонны Columns Клееный брус Glued beam
1-2 этаж / floor 680 x 580 мм (600 x 500) 680 x 580 mm (600 x 500)
3-7 этаж / floor 630 x 530 мм (550 x 450) 630 x 530 mm (550 x 450)
8-10 этаж / floor 580 x 480 мм (500 x 400) 580 x 480 mm (500 x 400)
11-13 этаж / floor 480 x 380 мм (400 x 300) 480 x 380 mm (400 x 300)
14-15 этаж / floor 430 x 330 мм (350 x 250) 430 x 330 mm (350 x 250)
та из расчета огнестойкости 60 мин и составляет 42 мм при скорости обугливания 0,07 мм/с [16, 17].
С учетом пожарной нагрузки габариты несущих элементов указаны в таблице. В скобках приведены габаритные размеры несущих элементов без учета величины обугливания.
С целью оценки равномерной работы несущей системы здания и наглядности полученных резуль-
татов возникающих усилий, полученные результаты рекомендуется отобразить графически при помощи сопоставительных диаграмм. Для анализа работы несущей конструкции созданной модели многоэтажного здания из дерева полученные результаты внутренних продольных и изгибающих усилий были отображены при помощи диаграмм и графиков на рис. 11, 12.
Рис. 11. Диаграмма продольных усилий деревянного здания Fig. 11. Diagram of longitudinal forces woodens building elements
Рис. 12. График изгибающих усилий элементов деревянного здания Fig. 12. Graph of bending forces woodens building elements
< DO
ID <D
s О
t ч
3 X
s
3 G) X 3
W С о
•
2 _
о CO
з CO
t i <
< 1
J CD
о r CD —
О
03 CD
CO
o <
< *—*
C r
о 5'
t _
S
о CO
i <
о< 2
a CO
О
J^
< i cn CO
r
о о
i <
о
t l
r 0'
< )
1 Т
О
С s
3
<D ■ч
1 ■
-J 00
J
s
s У
с О
<D ж
2 2
О О
10 10
10 10
сч N
N N
О О
N N
¡г (V U 3 > (Л
с и со N
il <u <D
О ё
(Л
ел
Е о
• с LO о
Sg
о ЕЕ
fe ° О) ^ т- ^
w w
■8 Е!
О (Я
Рис. 13. График распределения внутренних напряжений в несущих элементах Fig. 13. Graph of internal stress distribution in load-bearing elements
Графическая иллюстрация возникающих усилий ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
в несущих элементах модели многоэтажного деревянного здания показывает, что наблюдается равномерное распределение вертикальных нагрузок между этажами. Постепенное увеличение сжимающих усилий отмечается от верхней до нижней части здания.
Большая часть вертикальных нагрузок относится к деревянным диафрагмам жесткости около 55 %, немного меньше около 40 % вертикальных нагрузок воспринимает ЖБ ядро жесткости и 5 % вертикальных нагрузок воспринимают деревянные колонны.
Помимо вертикальных напряжений фиксируется равномерное распределение изгибающих усилий ЖБ ядра жесткости и в меньшей мере деревянных диафрагм жесткости.
На рис. 13 приведены сжимающие напряжения (Ж/А), возникающие в колоннах, железобетонных и деревянных стенах.
Согласно рис. 13 напряжения во всех элементах равномерно распределены между собой с плавным увеличением к основанию здания. Скачкообразные изменения напряжений между 1-2, 3-7, 8-16 этажами объясняются изменением поперечного сечения несущих колонн.
Также на графике отображено распределение напряжений при изгибе несущих элементов многоэтажного деревянного здания в двух направлениях по оси У и 2 соответственно (Му/Шу в колоннах, Ых/Шх в колоннах). Изгибающие напряжения несущих колонн возрастают с увеличением высоты здания, что соответствует правильной работе несущей системы здания, распределяя усилия по всей высоте здания.
Для успешной реализации проектов многоэтажного деревянного домостроения в первую очередь необходима предварительная проработка организационных и технических вопросов. Из большинства первоочередных задач инженерам следует решить несколько: выбор материала несущих элементов; обеспечение пожарной безопасности; обеспечение мер, компенсирующих свойственные для древесины недостатки в виде звуко- и теплоизоляции; разработка фундамента здания ввиду его легкости и объема; выбор конструктивной схемы здания и т. п.
Наличие алгоритма позволяет графически иллюстрировать процессы разработки проекта на всех его стадиях. Таким образом, разработанный алгоритм дает возможность проектировщикам и инженерам поэтапно рассматривать и прорабатывать ключевые вопросы проектирования, что упорядочит ход проектирования между всеми участниками проекта, структурируя процесс разработки концепции многоэтажного деревянного здания.
Подтверждением служат результаты расчетов разработанной модели многоэтажного здания из дерева при помощи представленного алгоритма. Созданная концепция деревянного многоэтажного здания, имея результаты проведенных расчетов по несущей способности, соответствует устанавливаемым требованиям многоэтажного офисного здания. Ввиду уникальных свойств древесины конструкция обладает некой гибкостью, что благоприятно сказывается на общем сопротивлении конструкции здания
действию динамических нагрузок в виде ветра или землетрясения. Данное суждение верно при наличии жестких узлов соединений деревянных элементов конструкций между собой, а также при наличии жестких связей в несущей конструкции здания в виде диафрагм жесткости.
На продемонстрированных графиках наблюдается равномерное распределение прикладываемых нагрузок на основные конструкции многоэтажного деревянного здания по всей его высоте, тем самым не образуя скачкообразные усилия в несущих элементах. Этот вывод говорит о правильной разработке
модели несущей конструкции деревянного здания, которая отвечает основным требованиям нормативной документации.
Грамотный подход к разработке модели многоэтажного деревянного здания позволит добиться сбалансированной модели многоэтажного деревянного здания с точки зрения прочности и общей устойчивости конструкции с одной стороны, и сокращения финансовых затрат с другой стороны, тем самым отвечая заявленным требованиям и не уступая аналогичным сооружениям из монолитного железобетона в отношении целесообразности строительства.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ширманов В.В. Строительство экологически безопасных, энергоэффективных, быстровозводимых деревянных зданий // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 8 (187). С. 38-40.
2. Овсянников С.И., Богданов И., Федоренко А. Экологические аспекты деревянного домостроения // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды: Междунар. науч.-техн. конф. 2015. С. 236-241.
3. Toppinen A., Röhr A., Pätäri S., Lähtinen K., Toivonen R. The future of wooden multistory construction in the forest bioeconomy — a Delphi study from Finland and Sweden // Journal of Forest Economics. 2017. Pp. 1-8. DOI: 10.1016/j.jfe.2017.05.001
4. Михалева С.А. Деревянные высотки в России — инновационный взгляд на современное строительство // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 4-7 (46). С. 19-21. DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.174
5. Voulpiotis K., Kohler J., Jockwer R., Frangi A. A holistic framework for designing for structural robustness in tall timber buildings // Engineering Structures. 2021. Vol. 227. Pp. 111432. DOI: 10.1016/j. engstruct.2020.111432
6. Abrahamsen R. Mjostarnet — Construction of an 81 m tall timber building 2017 // Materials of Internationals Holzbau-Forum IHF. 2017. DOI: 10.3989/ ic.71578
7. Sanner J., Fernandez A., Foster R. River Beech Tower: A Tall Timber Experiment // CTBUH Journal. 2017. Pp. 40-46.
8. Pulakka S., Vares S., Nykänen E., Saari M., Häkkinen T. Lean production of cost optimal wooden nZEB // Energy Procedia. 2016. № 96. Pp. 202-211. DOI: 10.1016/j.egypro.2016.09.122
9. Ruuska A., Häkkinen T. Material efficiency of building construction // Buildings. 2014. Vol. 4. Issue 3. Pp. 266-294. DOI: 10.3390/buildings4030266
10. Häkkinen T., Kuittinen M., Jung N. Reducing embodied carbon during the design process of buildings // Journal of Building Engineering. 2015. Vol. 4. Pp. 1-13. DOI: 10.1016/j.jobe.2015.06.005
11. Ломакин А .Д. Защита большепролетных несущих клееных деревянных конструкций // Строительные материалы. 2015. № 7. С. 55-59.
12. Коновалов М.А., Гравит М.В., Шабуни- < R наД.Е., ЩукинА.Ю. Анализ эффективности замены s £ железобетонных конструкций на деревянные в много- i i этажном офисном здании в г. Санкт-Петербург // ^ к Инновации в деревянном строительстве : мат. 11-й о Г Междунар. науч.-практ. конф. 2021. C. 278-290. {{ О
13. Етумян А.С., Смирнов Н.В., Булгаков В.В., ^ Гравит М.В., Иванов Ю.С. Исследование пожарной n S опасности деревянных конструкций с использовани- У 1 ем метода EN 13823 (SBI) // XXIV Международная o 7 научно-практическая конференция по проблемам | о пожарной безопасности, посвящ. 75-летию создания ^ 5 института : сб. тезисов докл. Часть 1. М. : ВНИИПО C "Г МЧС России, 2012. С. 339-342. | )
14. Malo K.A., Abrahamsen R.B., Bjertnaes M.A. a S
Some structural design issues of the 14-storey timber i §
framed building "Treet" in Norway // European Journal a 3
of Wood and Wood Products. 2016. Vol. 74. Issue 3. §6
Pp. 407-424. DOI: 10.1007/s00107-016-1022-5 > 6
°0
15. Tiso M., Just A., Nele Mäger K. Behavior of t(( wooden based insulations at high temperatures // Energy a i Procedia. 2016. Vol. 96. Pp. 729-737. DOI: 10.1016/j. § ) egypro.2016.09.135 < •
16. Qin R., Zhou A., Chow C.L., Lau D. Structural U 0 performance and charring of loaded wood under fire // 3 1 Engineering Structures. 2021. Vol. 228. P. 111491. 1 { DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111491 I "
17. LiuX., Zhao H., Zhu Q. Factor analysis of high- s у
rise building fires reasons and fire protection measures // § К
Procedia Engineering. 2012. Vol. 45. Pp. 643-648. { {
DOI: 10.1016/J.PROENG.2012.08.216 0 0
о о
18. Timmer S.G.C. Feasibility of tall timber 2 2 buildings: Master thesis — Structural Engineering. 2011.
19. Баранов А.О. Конструктивные решения высотных зданий // Alfabuild. 2018. № 3 (5). С. 33-51.
20. Ramage M., Foster R., Smith S., Flanagan K., Bakker R. Super Tall Timber: design research for the next generation of natural structure // The Journal of Architecture. 2017. Vol. 22. Issue 1. Pp. 1-19. DOI: 10.1080/13602365.2016.1276094
21. Johnson B., Horos D., Baker W.F. Timber tower research project. Skidmore, Owings & Merrill, LLP (SOM), 2014.
22. Kohler J. Reliability of timber structures // Swiss Fed Inst Technol. 2006. 244 p. DOI: 10.3929/ ETHZ-A-005454370
23. Fryer B., Foster R., Ramage M. Size effect of large scale timber columns // 2018 World Conference on Timber Engineering. 2018.
24. Jockwer R., Frohlich R., Wydler J., Voulpiotis K., Schabel J., Frangi A. Deformation behaviour of highly loaded elements in tall timber buildings // 2018 World Conference on Timber Engineering. 2018.
25. Konovalov M., Kozinets G. Prospects for the multi-storey buildings construction using wooden structures // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. Issue 2. P. 022062. DOI: 10.1088/1757-899X/698/2/022062
Поступила в редакцию 28 февраля 2022 г. Принята в доработанном виде 27 апреля 2022 г. Одобрена для публикации 27 апреля 2022 г.
N N N N О О N N
К (V U 3 > (Л
с и m N
si
<D <D
Об авторах : Михаил Александрович Коновалов — аспирант; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; РИНЦ ID: 921723; [email protected];
Галина Леонидовна Козинец — доктор технических наук, профессор, директор Инженерно-строительного института; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого (СПбПУ); 195251, г Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29; РИНЦ ID: 624625; [email protected].
Вклад авторов:
Коновалов М.А. — проведение исследований и создание алгоритма проектирования рассматриваемой концепции здания, проведение экспериментальной части, написание исходного текста статьи и итогов исследований.
Козинец Г.Л. — участие в разработке представленного алгоритма, научное руководство проводимых исследований, совместное участие при проведении моделирования и расчета несущей способности конструкции.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
REFERENCES
о %
(Л (Л
Е О
DL° • с LO О
Sg
о ЕЕ
СП ^ т- ^
(Л (Л
r si
О И
1. Shirmanov V.V. Construction of ecologically safe, energy efficient and prefabricated wooden buildings. Construction Materials, Equipment, Technologies of theXXI Century. 2014; 8(187):38-40. (rus.).
2. Ovsyannikov S.I., Bogdanov I., Fedorenko A. Ecological aspects of wooden house construction. Energy and resource-saving environmentally friendly chemical-technological processes of environmental protection: international scientific and technical conference. 2015; 236-241. (rus.).
3. Toppinen A., Rohr A., Patari S., Lahtinen K., Toivonen R. The future of wooden multistory construction in the forest bioeconomy — a Delphi study from Finland and Sweden. Journal of Forest Economics. 2017; 1-8. DOI: 10.1016/j.jfe.2017.05.001
4. Mikhaleva S.A. Wooden skyscraper in Russia — an innovative approach to modern construction. International Research Journal. 2016; 4-7(46):19-21. DOI: 10.18454/IRJ.2016.46.174 (rus.).
5. Voulpiotis K., Kohler J., Jockwer R., Frangi A. A holistic framework for designing for structural robustness in tall timber buildings. Engineering
Structures. 2021; 227:111432. DOI: 10.1016/j.eng-struct.2020.111432
6. Abrahamsen R. Mjostarnet—Construction of an 81 m tall timber building 2017. Materials of Internationals Holzbau-Forum IHF 2017. DOI: 10.3989/ic.71578
7. Sanner J., Fernandez A., Foster R. River Beech Tower: A Tall Timber Experiment. CTBUH Journal. 2017; 40-46.
8. Pulakka S., Vares S., Nykänen E., Saari M., Häkkinen T. Lean production of cost optimal wooden nZEB. Energy Procedia. 2016; 96:202-211. DOI: 10.1016/j. egypro.2016.09.122
9. Ruuska A., Häkkinen T. Material Efficiency of Building Construction. Buildings. 2014; 4(3):266-294. DOI: 10.3390/buildings4030266
10. Häkkinen T., Kuittinen M., Jung N. Reducing embodied carbon during the design process of buildings. Journal of Building Engineering. 2015; 4:1-13. DOI: 10.1016/j.jobe.2015.06.005
11. Lomakin A.D. Protection of the large-span bearing glued wooden constructions. Construction Materials. 2015; 7:55-59. (rus.).
12. Konovalov M.A., Gravit M.V., Shabuni-na D.E., Shchukin A.Y. Analysis of the effectiveness of the replacement of reinforced concrete structures with wood in a multi-story office building in St. Petersburg. Innovations in wooden construction: materials of the 11th International Scientific and Practical Conference. 2021; 278-290. (rus.).
13. Etumyan A.S., Smirnov N.V., Bulgakov V.V., Gravit M.V., Ivanov Yu.S. Investigation of fire hazard of wooden structures using the EN 13823 (SBI) method. XXIV International scientific-practical conference on fire safety, dedicated to the 75th anniversary of the Institute. Collection of theses ofreports. Part 1. Moscow, VNIIPO EMERCOM of Russia, 2012; 339-342. (rus.).
14. Malo K.A., Abrahamsen R.B., Bjertnaes M.A. Some structural design issues of the 14-storey timber framed building "Treet" in Norway. European Journal of Wood and Wood Products. 2016; 74(3):407-424. DOI: 10.1007/s00107-016-1022-5
15. Tiso M., Just A., Nele Mager K. Behavior of wooden based insulations at high temperatures. Energy Procedia. 2016; 96:729-737. DOI: 10.1016/j.egy-pro.2016.09.135
16. QinR., Zhou A., Chow C.L., Lau D. Structural performance and charring of loaded wood under fire. Engineering Structures. 2021; 228:111491. DOI: 10.1016/j. engstruct.2020.111491
17. Liu X., Zhao H., Zhu Q. Factor analysis of high-rise building fires reasons and fire protection
measures. Procedia Engineering. 2012; 45:643-648. DOI: 10.1016/J.PROENG.2012.08.216
18. Timmer S.G.C. Feasibility of Tall Timber Buildings: Master Thesis — Structural Engineering. 2011.
19. Baranov A.O. Constructions of high-rise buildings. Alfabuild. 2018; 3(5):33-51. (rus.).
20. Ramage M., Foster R., Smith S., Flanagan K., Bakker R. Super Tall Timber: design research for the next generation of natural structure. The Journal of Architecture. 2017; 22(1):1-19. DOI: 10.1080/13602365.2016.1276094
21. Johnson B., Horos D., Baker W.F. Timber Tower Research Project. Skidmore, Owings & Merrill, LLP (SOM), 2014.
22. Kohler J. Reliability of timber structures. Swiss Fed Inst Technol. 2006; 244. DOI: 10.3929/ETHZ-A-005454370
23. Fryer B., Foster R., Ramage M. Size effect of large scale timber columns. 2018 World Conference on Timber Engineering. 2018.
24. Jockwer R., Frohlich R., Wydler J., Voulpio-tis K., Schabel J., Frangi A. Deformation behaviour of highly loaded elements in tall timber buildings. 2018 World Conference on Timber Engineering. 2018.
25. Konovalov M., Kozinets G. Prospects for the multi-storey buildings construction using wooden structures. IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2019; 698(2):022062. DOI: 10.1088/1757-899X/698/2/022062
< П
tT
iH О Г
S 2
Received February 28, 2022.
Adopted in revised form on April 27, 2022.
Approved for publication on April 27, 2022.
B i o n o t e s : Mikhail A. Konovalov — postgraduate student; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU); 29 Polytechnic st., St. Petersburg, 195251, Russian Federation; ID RISC: 921723; mikhail. konovalov. [email protected];
Galina L. Kozinets — Doctor of Technical Sciences, Professor, Director of the Civil Engineering Institute; Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU); 29 Polytechnic st., St. Petersburg, 195251, Russian Federation; ID RISC: 624625; [email protected].
Contribution of the authors:
Mikhail A. Konovalov — conducting research and creating an algorithm for designing the building concept under consideration, conducting the experimental part, writing the source text of the article and the results of research.
Galina L. Kozinets — participation in the development of the presented algorithm, scientific guidance of ongoing research, joint participation in the modeling and calculation of the load-bearing capacity of the structure.
The authors declare that there is no conflict of interest.
0 M
t CO
1 z y i
J CD
u s
> I
n °
is
0 i
01
о n
CO CO
n M » 0
>8
• )
mï
7
. DO
■ T s □
s У с о (D Ж
, ,
M 2 О О 10 10 10 10
