ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВЫСОТНОМ ДОМОСТРОЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 691.11

Сливец Евгений Павлович Slivets Evgenii Pavlovich

Аспирант Graduate student

НИУ Московский государственный строительный университет Moscow State University of Civil Engineering (MGSU) National Research University

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ВЫСОТНОМ ДОМОСТРОЕНИИ

PROSPECTS FOR THE USE OF WOODEN STRUCTURES IN HIGH-RISE HOUSING CONSTRUCTION

Аннотация. Цель исследования - выявить возможность строительства многоэтажных жилых домов с применением современных деревянных конструкций, как высокотехнологичных строительных материалов, с учетом внесения изменений в действующее законодательство.

Выводы. Значимость полученных результатов необходима для совершенствования законодательной базы, возможности для возникновения нового направления в строительстве в Российской Федерации.

Abstract: The purpose of the study is to identify the possibility of building multi-storey residential buildings using modern wooden structures as high-tech building materials, taking into account the amendments to the current legislation.

Conclusions. The significance of the results obtained is necessary to improve the legislative framework, the possibility for the emergence of a new direction in construction in the Russian Federation.

Ключевые слова. деревянные конструкции, многоэтажные деревянные дома, поверхностное адсорбционно-химическое модифицирование.

Key words: wooden structures, multi-storey wooden houses, surface adsorption-chemical modification.

Введение

Древесина - строительный материал, который применяется повсеместно в строительстве. В данной статье рассматривается возможность использования

VIII Международная научно-практическая конференция древесины в качестве основного строительного материала. Помимо этого, в статье будут рассмотрены способы модифицирования древесины для улучшения её свойств. Применение древесины в современном строительстве наряду с другими строительными материалами - является важной частью для экономики, так как древесина в отличии от других строительных материалов может применяться повторно в строительстве и являться сырьем для создания других материалов на основе древесины [1, с. 97-99].

Главными преимуществами древесины являются ее удобство в обработке, довольно высокая прочность, хорошие теплоизоляционные свойства, однако, наиболее актуальным в современном обществе является то качество древесины, что она является возобновляемым и экологичным строительным материалом.

Вместе со всеми достоинствами, однако, древесина также обладает и существенными недостатками, которые связаны прежде всего с её природным происхождением. Такими недостатками являются горючесть, гниение, различные разрушения, вызванные биоповреждениями, растрескивание, гигроскопичность. Именно поэтому нормативные требования определяют древесину как недолговечный строительный материал [2, с. 86]. Однако, действительный срок службы деревянных конструкций, которые были правильно запроектированы, может составлять более ста лет. В качестве примера могут выступать памятники архитектуры деревянного зодчества [3, с. 13051314].

Возникновение новых современных строительных материалов, а также недостатки древесины вместе с действием определенных нормативных ограничений касательного данного материала оказали влияние на постепенный спад заинтересованности застройщиков и пользователей объектов недвижимости в использовании данного материала как основного. Данная тенденция отмечена на Рис. 1 [4, с. 241].

1930 1950 1980 2000 2010 г.

Рис. 1. Тенденция использования древесины в строительстве

Поэтому большая часть древесины, которая используется в современном строительстве, применяется в качестве вспомогательного материала, например, как отделочный материал (Рис.2) [4, с. 245].

Рис. 2. Структура использования лесоматериала в строительстве: 1-как вспомогательный материал, при производстве строительно-монтажных работ; 2- несущие деревянные конструкции; 3- малоэтажное домостроение; 4- кровельные настилы, обрешетка; 5 — столярные изделия

Однако, изучая современные работы иностранных исследователей можно выделить явную тенденцию на использование древесины в качестве основного строительного материала. Использование древесины в высотном строительстве наблюдается в таких странах Европы, как Великобритания, Норвегия, Швейцария, а также в странах Северной Америки - в Канаде и США.

Опыт строительства многоэтажных деревянных домов за рубежом

VIII Международная научно-практическая конференция Неблагоприятная экологическая ситуация в развитых странах, особенно в

крупных промышленных центрах, заставила переосмыслить подход к

использованию и созданию строительных материалов. Популярность начинают

набирать высотные деревянные жилые здания из древесины.

Способ, с помощью которого появляется возможность использовать

деревянные конструкции в строительстве в качестве основного строительного

материала, держится на двух принципах. Во-первых, это достижение

конструкционных характеристик деревянных конструкций не хуже или даже

лучше, чем у остальных конструкций, применяемых в строительстве. В данном

случае, имеются в виду характеристики по прочности, долговечности и

пожарной безопасности, а также другие характеристики, которые будут

соответствовать необходимым нормативным значениям. Во-вторых,

особенности нормативного регулирования, которые могли бы позволить

использовать древесину в качестве основного строительного материала и

закрепили бы эту возможность законодательно.

В данный момент эти два принципа постепенно начинают реализовываться

в странах Европы и Северной Америки, то есть в странах, которые обладают

необходимыми природными ресурсами, а также необходимыми современными

технологиями применения деревянных конструкций. Воплощаются в жизнь

проекты высотных деревянных зданий по 9 и более этажей, что, вероятно,

раньше казалось чем-то невероятным.

В Европейском Союзе (ЕС) реализуется программа «Деревянная Европа»,

целью которой является повышение доли жилой недвижимости до 80 % с

применением инновационных конструкций из дерева. Этот проект финансируют

государства ЕС. Уже сейчас доля деревянных домов достигает в Финляндии 40

%, в Австрии - 30 %, в Германии - 20 %. Кроме того, разрабатываются

современные технологии строительства высотных деревянных домов (Табл. 1)

[5, с. 231-238].

«Вопросы развития современной науки и техники» Таблица 1. Строительство домов с применением деревянных

конструкций за рубежом

Город Название Год Высота Кол-во Кол-во Стоимость,

объектов возведения здания этажей квартир млн. евро

Лондон STADHAUS 2009 29,75 м 9 29 -

Лондон BRIDPORT 2011 15,24 м 5-8 41 8,0

Мельбурн FORTE 2012 32,17 м 10 23 8,3

Милан VIA CENNI 2013 27,95 м 9 124 17,0

Берген TREET 2015 49,00 м 14 62 27,5

Стоит отметить, что использование древесины в данных зданиях было воплощено в реальность с помощью современных технологий. Под такими технологиями понимается использование CLT-панелей (Cross Laminated Timber), CLT-панели по-другому также называются как X-Lam, и LVL-бруса (Laminated Veneer Lumber). В основе данной технологии, следуя из полного названия данных материалов, лежит послойное склеивание ламелей или шпона древесины друг с другом и их скрепление с помощью большого давления пресса. Таким образом, возникает возможность получить не только полноценные стеновые панели, панели перекрытий и различного рода другие панели, но и фермы, балки и брусья, которые полностью выполнены из древесины. LVL-брус - конструкционная балка из шпона, являющаяся композитным материалом, не подвержена деформации, устойчива к химической агрессии. Размер балок из LVL-бруса может достигать до 36 метров.

Одним из первых проектов с данной технологией был проект 9-ти этажного жилого дома «Stadthaus» в Лондоне, Великобритания. Возведение данного здания было выполнено в достаточно короткие сроки, всего за 27 дней, что полностью соответствовало проектной документации данного здания. Дом полностью построен из деревянных конструкций, включая лестницы и лифтовые шахты, с применением CLT-панелей и LVL-бруса [6, с. 124-128].

В городе Берген (Норвегия) существует 14-ти этажное жилое здание «Treet», что переводится с норвежского языка как «дерево». Здание полностью выполнено из деревянных конструкций, из древесины в том числе состоят все ограждающие и несущие конструкции. Согласно проекту, вертикальные фермы,

VIII Международная научно-практическая конференция колонны (с сечением 495x495 мм и 405x650 мм, раскосы - 406x405 мм),

лифтовые шахты, стены и перекрытия, а также лестница и лестничные площадки

выполнены из клееных современных деревянных конструкций - LVL-брус и

CLT-панели. Примечательно, что пределы огнестойкости данных конструкций

довольно значительные и составляют для основной несущей фермы R90 (90

мин.), а для вторичной (CLT-панелей) R60 (60 мин.).

Другим довольно интересным проектом является 9-ти этажное здание «ViaCenni» с элементами административных помещений, построенное в Милане, Италия. Главной особенностью конструктивных решений данного здания являются также применение CLT-панелей и LVL-бруса, но здесь была необходима возможность использования различной толщины стен и перекрытий. Толщина стен варьируется от 200 мм на первом этаже и до 120 мм на девятом, а толщина перекрытий изменяется от 250 мм до 200 мм, соответственно. Используя подобные конструктивные и архитектурные решения, построен 18-ти этажный жилой дом в Ванкувере, Канада.

Одним из самых высоких деревянных жилых зданий на данный момент является 18-ти этажное здание общежития «Brock Commons» для студентов Университета Британской Колумбии в городе Ванкувере, Канада. Стоит отметить, что высота данного здания составляет 53 метра и большая часть здания выполнена из древесины, но также имеются металлические и бетонные элементы. Здание представляет собой, так называемый, гибрид. Перекрытия, стены и ограждающие конструкции выполнены полностью из деревянных конструкций. Для фиксации прочности кровли были применены металлические конструкции. Также конструкции основания, лифтовые шахты и лестничные конструкции выполнены из железобетона [7-9].

В скором времени в Ванкувере, Канада также планируют построить здание «Terrace House» которое будет представлять собой 19-ти этажное жилое здание, высотой 71 метр. Данное здание, так же, как и предыдущее, будет представлять собой гибрид, большая часть которого будет выполнена из деревянных конструкций, но с использованием различных элементов из бетона и стали.

«Вопросы развития современной науки и техники»

Самым высоким официально признанным деревянным зданием на данный

момент является здание «Mj0stärnet Tower» расположенное в городе Брумунндаль, Норвегия. Это здание имеет 18 этажей и высоту 85,4 метра и представляет собой многофункциональное здание. В нем имеются, офисные помещения, апартаменты, отель и ресторан. Здание также выполнено с использованием технологии CLT-панелей и LVL-бруса и с некоторыми элементами бетонных и металлических конструкций [7-9].

Таким образом, во всем мире разрабатываются проекты строительства высотных домов из дерева. Данная тенденция набирает популярность. Уже сейчас имеются проекты деревянных зданий, которые планируют реализовать в ближайшее время в Бордо, Франция (57 метров в высоту), в Амстердаме, Нидерланды (73 метра) и небоскреб в Лондоне, Великобритания (304 метра).

Строительство деревянных домов в России

В России направление высотного деревянного строительства, как такового, не существует. Однако, примеры высотных деревянных зданий имеются и в Российской Федерации. Проекты такого рода следует относить скорее к «экспериментальным», нежели к типовым.

Россия владеет внушительными запасами леса, что могло бы позволить ей развивать данное направление, но строительство домов из древесины было ограничено строгим регламентом - не выше трех этажей и не более 500 м2 общей площадью. Стоит отметить, что аналогичные ограничения раньше существовали и на территории стран Европы и Северной Америки, но после возникновения проектов высотного деревянного строительства, их защиты, экспертизы и некоторых экспериментальных исследований, возникла необходимость в пересмотре нормативных требований для высотного деревянного домостроения, что и было выполнено в странах, которые реализовывают подобного рода проекты. Это дало, своего рода, стимул для застройщиков использовать древесину в качестве основного строительного материала.

Одной из основных проблем, почему данное направление невозможно в Российской Федерации на данный момент - является отсутствие

VIII Международная научно-практическая конференция законодательной базы и нормативного регулирования таких проектов. Поэтому

при отсутствии единого подхода, реализация высотных деревянных зданий из

древесины является экономически нецелесообразной. Возникают определенные

трудности с проведением экспертизы проектов данного типа, получением

разрешений на строительство и т.п. Однако, необходимо отметить, что на

данный момент в России уже разработано довольно большое количество

проектов, которые в данный момент реализовать практически невозможно.

Правительством в настоящее время не рассматривается возможность

использования древесины в качестве основного строительного материала для

жилых зданий. Также и сами пользователи жилья, на основании опросов,

отмечают, что относятся к древесине довольно скептически [10].

Россия имеет большие запасы древесины и также большое число

лесоперерабатывающих заводов. Изменение правовой базы позволило бы

прежде всего создать новую «нишу» в экономике, помогло бы в создании

дополнительных рабочих мест и привлечении капитала от частных инвесторов.

Позволило бы создать новое направление в строительстве

Поверхностное адсорбционно-химическое модифицирование

Одним из основных недостатков древесины является ее пожароопасность.

Вероятно, именно поэтому правительством ограничено строительство высотных

деревянных зданий. Однако, в решении этой проблемы помогает поверхностное

модифицирование древесины, которое может быть выполнено заблаговременно

до строительства. Это позволяет монтировать уже готовые и защищенные

деревянные конструкции на площадке.

Исследования пожароопасности СЬТ-панелей [11] показывают отличные

результаты даже без обработки защитными составами. Однако огнезащита - это

не единственное свойство, что может улучшить защитный состав. Защитный

состав также способен обеспечивать био- и влагозащиту, что также необходимо

для долговечности современных материалов из древесины - СЬТ-панелей и LVL-

бруса, и их различных вариаций.

«Вопросы развития современной науки и техники»

Одним из наиболее распространенных способов защиты деревянных конструкций является использование антипиренов - защитных пропиточных составов, которые могут качественно изменять свойства древесины.

Адсорбционно-химические методы заключаются в изменении состава и свойств материала на клеточном уровне. Это возможно воздействием на древесину аминов, ангидридов карбоновых кислот, альдегидов и других веществ. В том числе проникающих мономеров и низковязких олигомеров, которые полимеризируются под действием тепла, химических реагентов или ионизирующих излучений. Обычно сочетаются физические и химические методы [12].

Для обеспечения длительного защитного действия необходимо образование химических связей между компонентами древесины и веществом защитного состава. Одним из путей решения этой проблемы является поверхностное модифицирование некоторыми фосфор- и кремнийорганическими соединениями [16, с. 78-81].

В последние десятилетия внимание к задаче разработки эффективных многофункциональных защитных составов и покрытий для древесной породы с изучением их эффективности и механизма огнезащитного действия не угасает. Это связано, прежде всего, с активным развитием технологий производства конструкций из древесины индустриального назначения, а также позитивными тенденциями в области деревянного домостроения, которые наблюдаются сейчас в Европе и Северной Америке. Некоторые важные результаты иностранных исследований, а также перспективы развития данного направления представлены в работах [13-15].

В НИУ МГСУ разработан метод мягкого поверхностного модифицирования древесины, при котором модификаторы вступают в химическое взаимодействие с поверхностью при температуре 20-30 °С. Одним из эффективных подходов к защите древесины является создание полифункциональных защитных покрытий.

VIII Международная научно-практическая конференция

Таким образом, использование фосфорорганических и кремнийорганических соединений позволяют достичь полифункционального результата пропиточных составов. Они позволяют увеличить био-, влаго- и огнезащиту деревянных конструкций, увеличить долговечность данных конструкций, что в свою очередь позволит с еще большей уверенностью применять в высотном домостроении древесину как основной строительный материал.

Причины, ограничивающие развитие высотного деревянного домостроения в России

Причинами, ограничивающими развитие высотного деревянного домостроения в России, являются:

- несовершенство законодательства;

- отсутствие технического регламента для деревянного домостроения выше 3-х этажей;

- элементарная нехватка кадров проектировщиков и строителей;

- отсутствие специальных сортаментов на деревянные конструкции, в связи с чем проектировщики должны производить индивидуальные расчеты для каждого элемента;

- отсутствие информации у пользователей объектов недвижимости о современных технологиях строительства высотных деревянных зданий.

- существующие в России предприятия по выпуску СТЬ-панелей и Ь^-бруса до 90 % продукции поставляют в страны ЕС и даже в Австралию в связи с низким спросом в РФ;

Заключение

Существующие в настоящее время проблемы, ограничивающие развитие многоэтажного деревянного домостроения в России, не являются критическими. Устранение пробелов в законодательной базе даст мощный толчок к разработке новых проектов, создаст новую нишу в экономике, позволит создать новое направление в строительстве. Использование защитных пропиточных составов полифункционального действия на основе кремний- и фосфорорганических

«Вопросы развития современной науки и техники» соединений также позволить достичь необходимых параметров безопасности

при возведении высотных зданий из древесины и даст определённый стимул для

развития этой отрасли строительства.

Библиографический список:

1. Бровкина И.С. Особенности инновационных процессов в строительной отросли // Международный научный журнал «Наука и мир». - 2014 г. - №8(12). -С. 97-99;

2. СП 64. 13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП П-25-80. - М.: Минрегион России, 2011. - 86 с.;

3. Покровская Е.Н. Увеличение прочности частично разрушенной древесины памятников деревянного зодчества // Вестник МГСУ №11(122), 2018 г., стр.: 1305-1314;

4. Матвеев, А.И. Актуальность и перспективы применения древесины в строительстве в качестве конструкционного материала в XXI веке /А.И. Матвеев //Научное сообщество студентов: Междисциплинарные исследования: сб.ст. по мат. XLII междунар. студ. науч.- практ. конф. - № 7 (42) [Электронный ресурс];

5. Коклюгина Л. А., Коклюгин А. В., Гимранов Л.Р., Никифоров Г.А. Современные технологии возведения многоэтажных деревянных домов. Известия казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2019. С 231-238;

6. Борисова М.А. CLT-панели - новое поколение инженерной мысли в деревянном домостроении. В сборнике: VI Всероссийский фестиваль науки. Сборник докладов в 2-х томах. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. 2016. С. 124-128;

7. Malo K. A., Abrahamsen R. B., Bjertns M. A. Europe Journal of Wood and Wood Production. 2016. Vol. 74. Iss. 3. P. 407-424;

8. Chapman John, Reynolds Thomas, Harris Richard. A 30 Level Cross Laminated Timber Building System And Analysis Of The Eurocode Dynamic Wind

VIII Международная научно-практическая конференция Loads // World Conference on Timber Engineering 15-19 july 2012, Aucklamd New

Zeland. P. 49-57;

9. Van J. W. G., DeKuilen, Ceccottib A., Zhouyan Xia, Minjuan He. Very Tall Wooden Buildings with Cross Laminated Timber // Procedia Engineering. 2011. Vol. 14. P. 1621-1628;

10. Шегай Л.А., Байдаков Л.В., Тарасова О.А. Проблемные аспекты и будущее многоэтажного деревянного строительства / Наукосфера, №12-2, 2020 г., с. 162-166;

11. Одегов В.В., Казак В.И., Цецуняк А.И., Плясунова М.А., Павлик А.В. Анализ огнестойкости клееной древесины (dt-панелей)/ Материалы XIII Международной научно-технической конференции. 2020 - Актуальные вопросы архитектуры и строительства, Новосибирск, 22-24 сентября 2020 г., с. 53-60;

12. Фомина О.А. Способы модифицирования древесины лиственных пород: отечественный и зарубежный опыт [электронный ресурс] / О.А. Фомина // Дневник науки - 2017. - №9;

13. Hoang, D.; Pham, T.; Nguyen, T.; An, H.; Kim, J. OrganoPhosphorus Flame Retardants for Poly(Vinyl Chloride)/Wood Flour Composite. Polym. Compos. 2016, DOI: 10.1002/pc.24026;

14. Altun, Y.; Dogan, M.; Bayramh, E. The Effect of Red Phosphorus on the Fire Properties of Intumescent Pine Wood Flour - Ldpe Composites. Fire Mater. 2016, 40, 697;

15. Sang, B.; Li, Z.-w.; Li, X.-h.; Yu, L.-g.; Zhang, Z.-j. GrapheneBased Flame Retardants: A Review. J. Mater. Sci. 2016, 51 (18), 8271- 8295;

16. Покровская Е.Н. Сэндвичевые покрытия по древесине с использованием нанокомпозитов / Е.Н. Покровская, И.Н. Чистов, Р.А Шепталин // Строительные материалы. - 2010. - № 7. - с. 78-81.