Хоссейн Данешвар*,Махбубе Фахрзарей,Фернанда Имамура,Юйсян ЧенОРЦИД,Лицзюнь ДэнОРЦИДиИн Хэй ЧуйОРЦИД
Кафедра гражданского и экологического строительства, Университет Альберты, Эдмонтон, Альберта T6G 1H9, Канада
Широко распространен энтузиазм по поводу использования массивных деревянных панелей (MTP), в основном клееной древесины (CLT), в строительстве, в том числе для подвалов малоэтажных зданий. CLT считается устойчивой альтернативой широко используемым бетонным фундаментным стенам благодаря значительным преимуществам, таким как меньшая подверженность растрескиванию из-за неравномерного распределения нагрузки и наличия концентрированных нагрузок, более высокая тепловая стойкость, сокращение сроков строительства благодаря заводскому изготовлению и монтажу цельных стен, а также меньшее негативное воздействие на окружающую среду.
Данное исследование является частью обширной исследовательской программы, направленной на разработку концепций и методологии структурного анализа и проектирования для возведения фундаментных стен домов с использованием MTP, с акцентом на применение CLT. После сравнения подвалов из CLT с аналогичными бетонными с точки зрения устойчивости и краткого обсуждения геотехнических и гигротермических аспектов, основная тема статьи включает методологию структурного анализа и проектирования, требования и процедуру для достижения надежной и эффективной конструкции подвала из CLT. Обсуждается упрощенная процедура анализа для расчета толщины ламината и количества слоев в фундаментных стенах из CLT-панелей для различных сценариев с учетом таких переменных, как тип грунта и высота засыпки, и представлены результаты в виде готовых расчетных таблиц.
Результаты данного исследования показывают, что в зависимости от типа грунта и высоты засыпки для чистой высоты стен до 3 м потребуются 3–7-слойные CLT-панели. Кроме того, для валидации упрощенной процедуры анализа, использованной при проектировании, был проведен расширенный конечно-элементный анализ на образцах-архитектурах. Показано, что предлагаемая процедура анализа и готовые таблицы дают консервативные и эффективные результаты.
Бетон был основным материалом, используемым при строительстве подвалов малоэтажных жилых зданий с легким деревянным каркасом в Северной Америке благодаря своей долговечности и прочности ( рисунок 1a ). Однако часто возникали проблемы с эксплуатационными характеристиками, связанные с бетонными фундаментными стенами, такими как сырость, растрескивание бетона, высокие тепловые потери и длительные сроки строительства, связанные с заливкой и отверждением. Хотя бетонные фундаментные стены, как правило, слегка армируются для минимизации трещин из-за усадки и температуры, образование трещин в большинстве случаев неизбежно из-за внутренних свойств бетона.
В результате этого весьма вероятна протечка воды из-за растрескивания бетона. Американское общество жилищных инспекторов провело всесторонний обзор проблем с растрескиванием подвальных стен [ 1 ]. Помимо перечисленных выше проблем, существуют и другие потенциальные проблемы, такие как серьезные потери тепла, некомфортное жилое пространство под землей с ощущением сырости, плесенью и грибком, проблемы с заливкой бетона при низких температурах, трудности строительства в отдаленных районах и трудности с отделкой. Несмотря на эти проблемы, бетонные подвалы продолжают оставаться доминирующим типом подвальных конструкций на протяжении десятилетий.
Рисунок 1. ( а ) Обычная конструкция бетонного подвала; ( б ) Альтернативные решения для малоэтажных подвалов: PWF (Предоставлено Канадским советом по лесу и Wood Preservation Canada).
Альтернативные системы фундаментов были разработаны и используются в коммерческих целях. Известными примерами являются изолированная бетонная опалубка (ICF) [ 2 , 3 ] и постоянный деревянный фундамент (PWF) [ 4 , 5 , 6 ]. Эти системы признаются строительными нормами и правилами, если они соответствуют требованиям таких стандартов, как CAN/ULC-S717.1 [ 3 ] для ICF и CSA S406-16 [ 5 ] для PWF. Несмотря на их включение в строительные нормы и правила, эти системы не получили широкого признания в качестве замены традиционных бетонных фундаментных стен из-за различных проблем, таких как более высокая стоимость, недостаточная устойчивость к широкому диапазону грунтовых условий и склонность к дефектному строительству [ 2 , 6 ]. Как показано на рисунке 1 б, PWF представляет собой систему фундамента с легким деревянным каркасом, состоящую из деревянного каркаса и обшивки. Она предназначена для поддержки малоэтажных зданий [ 7 ].
Недавние достижения в области массовых изделий из древесины открыли дверь для переосмысления устойчивых альтернативных решений для замены бетона, чтобы преодолеть все упомянутые недостатки и сократить углеродный след. Поперечно-клееная древесина (CLT) является относительно новым продуктом из инженерных деревянных панелей, привлекающим всемирный интерес из-за своей доступности в больших размерах, высокого соотношения прочности к весу и превосходной размерной стабильности по сравнению с традиционными изделиями из древесины.
CLT изготавливается путем перекрестного ламинирования слоев размерной древесины в толстую структурную панель с использованием прочного клея. FP Innovations опубликовала всеобъемлющую публикацию о процессе производства, применении и проектировании CLT [ 8 ]. Первоначально разработанный в Центральной Европе в конце 1990-х годов в качестве заменителя бетонных плит и подъемно-поворотных стен, в последнее десятилетие он используется для строительства высотных деревянных зданий по всему миру, в основном в качестве несущих стен. CLT обладает преимуществами по сравнению с традиционными и более современными системами подвалов, такими как лучшие изоляционные свойства материала, простота изготовления на заводе, структурная устойчивость и, что еще важнее, меньший экологический след.
Фундаментные стены из CLT можно отнести к категории PWF из-за схожего назначения и требований, хотя они не включены в действующие руководства и стандарты PWF. Тем не менее, есть сходства в расчете структурных требований и методах строительства, которые выиграли от этого исследования. Например, чтобы обеспечить сухое и комфортное жилое пространство под землей, можно использовать аналогичные методы строительства для контроля влажности и изоляции [ 9 , 10 ]. Для CLT в качестве фундаментной стены было проведено лишь несколько исследований [ 11 , 12 ], которые могут пролить свет, что еще раз подчеркивает недостаток информации и необходимость дальнейших исследований в этой области.
В результате в настоящее время в Университете Альберты реализуется исследовательская программа по разработке новой концепции строительства подвалов домов с использованием MTP, включая CLT. Этот проект инициировал процесс проектирования, направленный на воплощение концептуальной идеи в реальные новые технологии строительства фундаментных стен, которые устранят эксплуатационные проблемы, связанные с бетонными стенами, и обеспечат жильцам теплый и здоровый подвал с использованием древесины как более экологичного материала.
Прежде чем CLT можно будет с уверенностью использовать в качестве материала для строительства подвалов домов, необходимо решить ряд технических проблем. Одной из основных проблем является долговечность фундаментных стен из CLT, учитывая, что древесина подвержена воздействию биологических агентов в условиях высокой влажности или при контакте с грунтом. Для разработки необходимых строительных технологий, одобренных соответствующими органами, владельцами зданий, застройщиками и страховыми компаниями, важно применять комплексный системный подход, охватывающий структурные, тепловые и прочностные характеристики, чтобы гарантировать, что конструктивные решения, направленные на решение одной эксплуатационной проблемы, не окажут негативного влияния на другие эксплуатационные характеристики. На рисунке 2 показан пример решения по использованию CLT в сочетании с влагозащитным барьером и теплоизоляцией в данном случае.
Рисунок 2. Предлагаемый фрагмент стены подвала из CLT-панелей.
2. Соображения устойчивого развития
В этом разделе сравнивается воздействие на окружающую среду фундаментных стен из CLT с эквивалентными бетонными стенами, обычно используемыми в малоэтажном строительстве. В этом упражнении предполагается, что подвал имеет площадь 216 м² ( 12 м × 18 м) и высоту стены 3,0 м. Для бетонных стен подвала предполагается, что стены толщиной 200 мм выполнены из бетона прочностью 25 МПа и арматурных стержней диаметром 15 мм, в то время как пятислойный CLT считается эквивалентной альтернативой на основе древесины. Для проведения анализа жизненного цикла (LCA) использовался Athena Impact Estimator for Buildings, версия 5.4 [ 13 ].
На рисунке 3 сравнивается один из основных показателей оценки жизненного цикла (LCA), потенциал глобального потепления (ПГП), представляющий собой выбросы углекислого газа, для обычных бетонных подвалов и подвалов, изготовленных из CLT. Как можно видеть, вариант подвала из CLT значительно снизит показатель потенциала глобального потепления почти на 80 % в качестве основного конструкционного материала. Во время строительства снижение ПГП также заметно. Что еще более важно, вопреки общему мнению, продемонстрировано, что переход к фундаментной стене из CLT будет менее вредным для окружающей среды в конце жизненного цикла здания (предполагаемый срок службы 50 лет). Таблица 1 сравнивает основные показатели, основанные на системе рейтинга Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) [ 14 ] для систем подвалов из бетона и CLT. Как видно, наблюдаются улучшения по всем негативным последствиям при переходе к CLT в качестве основного материала для строительства подвала.
Рисунок 4 графически сравнивает две системы, используя в качестве эталона традиционную систему фундаментных стен из бетона. Как видно, при переходе к фундаментной стене из CLT наблюдаются значительные улучшения по всем экологическим показателям, основанным на LEED, которая является доминирующей системой рейтинга для жилых зданий в Северной Америке. Отмечается, что в LEED существует несколько категорий, которые дают зданию возможность получить баллы для сертификации. В связи с характером исследования целевой категорией считалась категория «материалы и ресурсы».
Рисунок 3. Сравнение результатов измерения потенциала глобального потепления для бетонного фундамента и CLT.
Рисунок 4. Сравнение показателей LEED LCA — от колыбели до могилы (ссылка: бетонный подвал; предложение: подвал из CLT).
3. Геотермальные и гигротермальные аспекты
В общем случае давление грунта, действующее на грунтовую подпорную конструкцию, например, на фундаментную стену, зависит от поперечной деформации грунта. Если условия деформации не могут быть точно оценены, ни одно теоретическое решение не может точно предсказать распределение поперечного давления грунта. Для жёстких подпорных стен давление грунта и давление воды можно оценить, используя теоретические решения теорий Ренкина или Кулона, которые предполагают линейное распределение давления грунта за подпорной стенкой. Результаты этих теорий удовлетворительны только в том случае, если деформация грунта достаточно велика для мобилизации прочности грунта на сдвиг. Эти методы предоставляют ограниченную информацию о распределении и величине поперечного давления грунта, вызванного различными смещениями стен.
В этом случае распределение давления грунта становится более сложным для гибких стен, поскольку оно зависит от прогиба стены и деформации грунта; в этом случае для проектирования можно принять «кажущееся» распределение давления грунта [ 15 ]. В результате, точное проектирование фундаментных стен требует знания теории давления грунта, поведения грунта и методов строительства, понимания ограничений доступных теоретических методов проектирования и опыта. Наблюдение Терцаги о расчёте подпорной стенки Кулона до сих пор широко применяется, особенно в методах предельного равновесия, при расчёте давления грунта.
Такие расчёты предполагают, что активные и пассивные зоны могут быть выделены на основе движения стенки; распределение давления треугольное и гидростатическое, линейно увеличивающееся с глубиной. Этот метод считается консервативным для практических целей, поскольку он широко применяется на практике. Соответственно, в данном исследовании предполагалось треугольное давление грунта, увеличивающееся линейно. В зависимости от движения стенки распределение грунта может отличаться от общепринятого, что в данном исследовании не учитывалось. Кроме того, не учитывались влияние укладки грунта, ползучести и температурных перемещений.
При воздействии воды на CLT может возникнуть повышенное содержание влаги, что может привести к биодеградации. Однако, если на внешнюю сторону CLT нанести водо- и паронепроницаемое покрытие, оно может уменьшить проникновение влаги из окружающей влажной среды. Хотя исследования систем гидроизоляции на CLT-панелях продолжаются, предварительные результаты показывают, что выбранные коммерчески доступные гидро- и пароизоляционные материалы могут защитить фундаментные стены CLT.
В частности, перспективными являются фундаментные покрытия с функциями гидро- и пароизоляции в виде единого продукта, самоклеящиеся мембраны и мембраны из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Авторы предлагают дренажную систему, показанную на рисунке 5 , которая включает зернистую засыпку для замены естественного грунта в случае илов и глин, склонных к морозному пучению. Зернистая засыпка предотвратит накопление воды у поверхности стены подвала, снижая давление воды. Вокруг фундамента укладывают гравий и перфорированную дренажную трубу для отвода излишков воды из фундамента. Гравий под фундаментом защитит от подъемных сил, возникающих при замерзании, предотвратит пучение грунта при замерзании и осадку при оттаивании.
Рисунок 5. Дренажная система, включая рекомендации по предотвращению контакта с фундаментами грунтов, подверженных промерзанию.
Конструкция наружной стены должна обеспечивать достаточное тепловое сопротивление, как того требуют строительные нормы и правила. В Национальном строительном кодексе Канады (NBCC) [ 16 ] для климатической зоны 7A, включая Эдмонтон, Реджайну, Виннипег и Квебек, требуемое общее тепловое сопротивление составляет 3,08 К∙м2 / Вт (R-17,5). Кроме того, следует избегать конденсации из-за диффузии пара через стены. Гигротермический анализ подвальной стены не является простым, поскольку стена частично подвергается воздействию наружного воздуха и частично покрыта грунтом. Из-за колебаний температуры и влажности в вертикальном направлении водяной пар может течь внутрь или наружу в зависимости от глубины стены, и это может быть в обратном направлении в разные месяцы.
Гигротермический проект предлагает слой внешней изоляции как лучший вариант только для внутренней изоляции. Нет тепловых мостиков из-за конструктивных компонентов (например, стоек). Слой пароизоляции и сплошная теплоизоляция могут снизить паропроницаемость стеновой конструкции. Хотя точная оценка гигротермических характеристик стеновой конструкции выходит за рамки данной статьи (этот вопрос будет рассмотрен в отдельной публикации), результаты для трёхслойных фундаментных стен из CLT не показывают конденсации вследствие диффузии пара. В целом, использование CLT в подвальных стенах в сочетании со слоями пароизоляции и жёсткой наружной теплоизоляции (как показано на рисунке 3 ) позволяет удовлетворить гигротермическим требованиям.
4. Структурный анализ и проектирование
4.1. Цель проектирования, методология и проектные нагрузки
Основная цель раздела структурного проектирования - продемонстрировать упрощенную процедуру анализа, приводящую к определению требуемой толщины CLT в данном конкретном применении для различных сценариев. Для достижения этой цели был принят подход, описанный Американским советом по древесине (AWC) [ 4 ] для проектирования PWF, с упором на боковые нагрузки от грунта как на основную боковую нагрузку, как показано на рисунке 5. Очевидно, что ветровые или сейсмические нагрузки должны быть добавлены к фактическому зданию, что было исключено в этом исследовании, поскольку, согласно отчетам о поведении стен подвала при сильных землетрясениях [ 17 ], эксплуатационные характеристики стен подвала удовлетворительны, а возможность разрушения редка, даже если конструкции явно не спроектированы для сейсмической нагрузки. Типы грунта и нагрузка были определены в соответствии с ASCE7-16. [ 18 ]. Что касается расчетов прочности CLT, был принят канадский кодекс проектирования древесины CSA O86-19 [ 19 ]. Конструктивные элементы системы CLT-стен подвала состоят из CLT-панелей, верхней и нижней плит, а также узлов крепления панелей к фундаментной плите. Все элементы должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать все приложенные нагрузки, как показано на рисунке 6 , удовлетворяя предельным состояниям по несущей способности и пригодности к эксплуатации, указанным в NBCC [ 16 ] или ASCE7-16 [ 18 ]. Для проверки предельных состояний по несущей способности стен по NBCC требуется коэффициент нагрузки 1,5. Для норм ASCE 7-16 этот коэффициент равен 1,6.
Рисунок 6. Нагрузки, учитываемые при проектировании стен подвала из CLT-панелей.
Были рассмотрены два случая подвальной стены и подпольного пространства, показанные на рисунках 7a и 8b , оба распространённых в малоэтажном строительстве в Северной Америке. В случае подвальной стены засыпка доступна с одной стороны, в то время как стена испытывает боковое давление с обеих сторон в подпольном пространстве. На рисунке 7 показано распределение боковой нагрузки в обоих случаях и параметры, необходимые для количественной оценки спроса и отклика. Эти параметрыℎ
высота засыпки (м),𝐻
Высота стены CLT (м),𝑥
местоположение максимального момента (м),𝑤
боковая нагрузка на грунт (кН/м 2 ),ℎ𝑜
высота засыпки снаружи подпольного пространства (м),ℎ𝑖
высота засыпки внутри подпольного пространства (м),𝑅𝑇
реакция в верхней части стены из CLT (кН),𝑅𝐵
реакция в нижней части стены CLT (кН), и𝑑Да , да
Толщина стены CLT (м).
Рисунок 7. Использование панелей CLT в ( а ) стене подвала и ( б ) подпольном пространстве.
Рисунок 8. Использование панелей CLT в качестве стены подвала ( а ) вертикально и ( б ) горизонтально.
Кроме того, рассматриваются два случая вертикального и горизонтального размещения CLT для исследования компромисса между более конструктивно прочной системой и более простой технологичностью, как показано на рисунке 8. Как видно на рисунке 8а , при рассмотрении пятислойной CLT имеется три слоя, расположенных вертикально, что обеспечивает сопротивление изгибу при боковом давлении грунта; как показано на рисунке 8б , имеется всего два вертикальных слоя с меньшим плечом рычага. В результате вертикальное расположение является благоприятным с точки зрения конструкции, хотя дополнительные соединения панелей могут усложнить конструкцию. Рассмотрение панелей CLT с различной толщиной слоев (более толстые продольные слои и более тонкие поперечные слои) может привести к более экономичной конструкции, предполагая, что способность стен к сдвигу в плоскости, как обсуждается в следующем разделе, не является определяющей.
4.2 Анализ и проектирование CLT-панелей
4.2.1 Предельные состояния
Стена в первую очередь проверяется на изгиб и сдвиг под действием бокового давления грунта для достижения предельных состояний по несущей способности. Для простоты предполагается, что фундаментная стена из CLT представляет собой простую панель с опорами сверху и снизу. Диаграммы свободного тела для обоих случаев показаны на рисунке 9 .
Рисунок 9. Схемы свободного тела ( а ) стены подвала и ( б ) подпольного пространства.
Записывая уравнения равновесия для рисунка 9а , получаем уравнение (1) для определения момента в заданном сечении x . Приравнивая сдвиг к нулю, получаем положение максимального момента, как показано в уравнении (2).
Помимо момента и сдвига вне плоскости, необходимо учитывать сдвиг в плоскости, вызванный разницей в высоте засыпки, как показано на рисунке 10. На этом рисунке,ℎ1
- высота засыпки при наибольшей глубине (м),ℎ2
- высота засыпки на противоположной стороне наибольшей глубины (м), а𝑉𝑠
боковая нагрузка, вызванная неравномерной засыпкой (кН).
Рисунок 10. Результирующая сила в плоскости, вызванная дифференциальной засыпкой ( вверху ) и высотной планировкой ( внизу ).
Как показано на рисунке 6 , стены подвала подвергаются осевым нагрузкам, обусловленным постоянными и временными нагрузками от надземной части здания. В связи с этим прочность стены на сжатие проверяется как отдельно, так и в сочетании с требованиями к боковой засыпке.
4.2.2 Предельные состояния эксплуатационной пригодности
Основным предельным состоянием по эксплуатационной пригодности, которое следует учитывать, является прогиб. Согласно CSA 086-19, максимальный прогиб следует определять для заданной нагрузки, приложенной перпендикулярно к панели, с учётом как кратковременных упругих эффектов, так и мгновенной упругой деформации при длительном прогибе. Предложены уравнения для панели под равномерной и сосредоточенной нагрузкой, но не для треугольного распределения нагрузки, как показано на рисунках 7 и 9. В результате уравнение (12) выводится с использованием тех же принципов.
4.2.3. Готовые таблицы выбора
Выполнив описанные выше шаги, можно определить структурные требования, необходимые для проектирования подвала из CLT. Используя уравнения CSA O86-14 для проектирования элементов CLT, подверженных различным сценариям нагрузки, можно спроектировать подвал из CLT при индивидуальном и/или комбинированном воздействии момента, сдвига и осевой силы. Чтобы дать некоторое представление о окончательных результатах проектирования, были разработаны две таблицы инженерного проектирования ( Таблица 2 и Таблица 3 ), аналогичные тем, что доступны для бетонных подвалов. Как можно видеть, эти две таблицы суммируют приблизительную толщину, требуемую для подвалов из CLT (классов E1 и E3), учитывая различные типы грунта и высоту засыпки, предполагая вертикальное расположение. Для разработки таблиц предполагается вертикальная нагрузка 4,5 кН/м.
Таблица 2. Необходимое количество слоев CLT для вертикального расположения, класс E1, толщина продольного слоя = 35 мм и поперечного слоя = 35 мм.
Таблица 3. Необходимое количество слоев CLT для вертикального расположения, класс E3, толщина продольного слоя = 35 мм и поперечного слоя = 35 мм.
Как можно видеть, трехслойные стены CLT считаются достаточными для большинства ожидаемых случаев. Как правило, требуется перейти к пяти- или семислойным панелям CLT для стен высотой более 2,4 м на грунтах с высоким боковым давлением, чтобы достичь приемлемого проекта. Также показаны определяющие предельные состояния для такого увеличения толщины. Для достижения более экономичного проекта также рассматривались панели CLT с неравными продольными и поперечными слоями (уменьшенная толщина поперечных слоев), и были созданы соответствующие предварительно спроектированные таблицы (см. Приложение A : Таблица A1 , Таблица A2 , Таблица A3 , Таблица A4 , Таблица A5 , Таблица A6 , Таблица A7 , Таблица A8 , Таблица A9 и Таблица A10 ). Было отмечено, что при горизонтальном использовании панелей CLT минимальная толщина CLT во всех случаях должна быть не менее пяти слоев, что может быть неэкономично.
4.3. Соединения
Верхние и нижние соединения стены из CLT должны быть спроектированы так, чтобы противостоять индуцированным реакциям сверху и снизу, как определено в уравнениях (3), (4), (8) и (9), а также усилию сдвига в плоскости, вызванному неравномерной засыпкой, как рассчитано в уравнении (11). Верхняя реакция передается на соседнюю систему перекрытия, в то время как нижняя реакция передается на бетонное перекрытие через сдвиговые соединения в основании. На рисунке 11 показаны некоторые типичные примеры сдвиговых соединений в основании. Можно отметить, что сдвиг в основании считается достаточным для восприятия индуцированного подъема из-за боковой силы грунта. Однако в сценариях с большим подъемом из-за кратковременных эффектов ветра или сейсмической активности при необходимости следует использовать прижимные соединения.
Среди всех вариантов на рисунке 11a , рисунок 11 (a-3) обеспечивает жесткое соединение, которое может предотвратить проникновение воды в подвальные помещения и может быть использован в качестве варианта сдвигового соединения в основании. Другой тип соединения, который может потребоваться при вертикальном расположении панелей CLT, — это соединение панель-панель. Примеры таких соединений показаны на рисунке 11. Предлагается использовать детальный рисунок 11 (b-3), так чтобы было соприкосновение с водонепроницаемым барьером снаружи. Рекомендуется, чтобы крепеж и соединители были изготовлены из нержавеющей стали. В случае хорошо защищенных соединений, не подвергающихся воздействию воды, можно использовать стальной крепеж с горячим цинкованием.
Следует отметить, что крепеж из нержавеющей стали и оцинкованные стальные детали не должны соприкасаться [ 4 ]. В современной литературе, посвященной поведению как оснований при сдвиге, так и соединений панель-панель, соединения в основном исследовались при нагрузке в плоскости, а не вне плоскости, что является доминирующим случаем в данном случае. В результате, до тех пор, пока не будут доступны дополнительные экспериментальные исследования этих соединений, предлагается быть консервативным и обеспечивать очень жесткие соединения за счет увеличения количества соединений для обеспечения целостности систем, главным образом с точки зрения водонепроницаемости. Это также относится к угловым соединениям, показанным на рисунке 11 c.
Рисунок 11. Возможные варианты соединений: ( а ) соединения, работающие на сдвиг основания; ( б ) соединения панель-панель; ( в ) угловые соединения [ 8 ].
4.4 Проверка проекта
Для проверки упрощенной процедуры анализа и проектирования использовалось программное обеспечение для конечно-элементного анализа Sap 2000 (версия 21) [ 21 ], чтобы обеспечить более реалистичную модель для фундаментных стен из CLT под давлением грунта. Были выбраны три архетипные модели: модели 6 м × 12 м (A) и 12 м × 12 м (B) со сплошными панелями (соединения панелей не моделировались), а также модель 6 м × 12 м (C) со связями, как показано в Таблице 4 , для сравнения с упрощенной моделью анализа, обсуждаемой в Разделе 4.2 (модель S). На Рисунке 12 схематически показана разница между разработанными моделями FE (от A до C) и упрощенной моделью анализа (модель S). Для каждого архетипа рассматривались и моделировались трехслойные, пятислойные и семислойные CLT как слоистые элементы оболочки с различными характеристиками в продольных и поперечных слоях (см. Таблицу 5 ), в результате чего было получено девять моделей FE. Каждая модель состояла из прямоугольных систем фундаментных стен с размером ячеек 100 мм × 100 мм, полученных в результате исследования чувствительности сетки. Высота засыпки предполагалась равной высоте стены (3 м). Нижние части стен были закреплены штифтами, а верхние части были заданы диафрагмами. Как показано на рисунке 13 , в модели C между панелями предусматривался небольшой зазор, а соединения панелей между собой определялись с помощью жестких соединительных элементов с шагом 1 м и высотой панелей.
Рисунок 12. ( а ) Трехмерная модель FE фундаментов CLT под боковым давлением грунта в сравнении с ( б ) упрощенной одномерной аналитической моделью, используемой при проектировании.
Рисунок 13. Определение соединения панелей в модели C.
Таблица 4. Архитипные модели, рассматриваемые для FE-проверки анализа.
Таблица 5. Элементы слоистых оболочек с различными характеристиками в продольных и поперечных слоях для определения материала CLT в программном обеспечении.
На рисунках 14 , 15 и 16 показаны факторизованный сдвиг, факторизованный момент и нефакторизованные вынужденные смещения для стен, подверженных боковому давлению грунта. Максимальные результаты сведены в Таблице 6. Как видно, результаты трех моделей FE (A, B и C) похожи друг на друга и сопоставимы с результатами упрощенной модели анализа (модель S), которая использовалась для создания предварительно спроектированных таблиц (с небольшим отклонением в результатах смещения). Хотя область применения архитипных моделей ограничена, считается, что они являются репрезентативными для разумного диапазона стен фундамента малоэтажных домов на практике.
В результате Таблица 6 демонстрирует обоснованность процедур анализа и проектирования, использованных для создания предварительно спроектированных таблиц. В целом показано, что результаты упрощенного метода анализа (модель S) являются консервативными, поскольку они являются верхней границей результатов модели FE (модели A–C). Тем не менее, упрощённый анализ был признан достаточно эффективным ввиду небольшого расхождения между результатами детальных моделей A–C и упрощённой модели S. Модель C показывает, что использование очень жёстких (практически жёстких) соединений в подобных случаях гарантирует монолитность всех прикреплённых вертикальных панелей. Следовательно, моделирование соединений для проектирования панелей может не потребоваться. Однако более подробный анализ системы будет зависеть от дополнительных экспериментальных исследований поведения как оснований сдвиговых соединений, так и соединений панелей под действием таких внеплоскостных нагрузок.
Рисунок 14. Модель А (трехслойная CLT) диаграммы внешних и внутренних сил: ( а ) давление грунта; ( б ) сдвиг; ( в ) момент; ( г ) перемещение.
Рисунок 15. Модель B (трехслойная CLT) диаграммы внешних и внутренних сил: ( а ) давление грунта; ( б ) сдвиг; ( в ) момент; ( г ) перемещение.
5. Резюме и выводы
- Клееная древесина (CLT) может быть использована в качестве альтернативы бетонным фундаментным стенам, обычно используемым в малоэтажных жилых зданиях. Это решение позволяет решить проблемы, присущие бетону в таких случаях, такие как растрескивание и возможность проникновения воды, высокие теплопотери, длительный срок строительства, ощущение сырости, рост плесени и грибка, проблемы строительства при низких температурах, сложности строительства в удаленных районах и сложности завершения работ в течение срока строительства.
- По сравнению с эквивалентными бетонными системами фундаментные стены из CLT могут значительно улучшить все экологические показатели, такие как потенциал подкисления и потенциал глобального потепления.
- Для различных сценариев, включая тип грунта и высоту засыпки, была рассмотрена упрощенная процедура анализа для расчета толщины ламината и стандартизированного количества слоев в стенах подвала из CLT-панелей. Результаты представлены в виде готовых таблиц расчета. Эти таблицы предназначены для замены существующих железобетонных стен фундамента, обычно используемых в малоэтажном строительстве. Для подтверждения упрощенной процедуры анализа, использованной при проектировании, был проведен расширенный конечно-элементный анализ на образцах-архитектурах. Было показано, что предлагаемая процедура анализа и рассчитанные заранее таблицы дают консервативные и эффективные результаты.
- В зависимости от типа грунта и высоты засыпки, для возведения стен чистой высотой до 3 м при вертикальной компоновке достаточно 3–7-слойных CLT-панелей. В большинстве случаев трёхслойная CLT-панель считается достаточной для большинства ожидаемых случаев. Однако при горизонтальной компоновке требуется как минимум пятислойная CLT-панель. Поэтому, по экономическим соображениям, рекомендуется использовать CLT-панели при вертикальной компоновке.
- Проектирование очень жёстких соединений панелей в вертикальном положении гарантирует проектировщикам структурную целостность панелей и предотвращает потенциальные проблемы с проникновением воды в местах соединений. Детальное моделирование соединений панелей, по всей видимости, не внесло существенных изменений в результаты.
«Мы строим более 20 лет. Для меня Dominion CLT — это квинтэссенция опыта. Лично отвечаю за каждый стандарт в этой статье».
Автор флагманских проектов. Специалист по панорамному остеклению и адаптации сложной геометрии фахверка.
Технический эксперт и автор внутренних регламентов качества завода Dominion. Опыт в индустрии более 20 лет.
Другие советы экспертов по Москве и Московской области:
При выборе материала для наружных стен дома акустический комфорт становится одним из ключевых критериев. Многие современные утеплители рекламируются как универсальные решения, но…
Если сделать отделку внутренних стен специальными паропроницаемыми материалами, то это позволит дому «дышать» диффузия водяного пара будет осуществляться очень легко, а снаружи…
В качестве наружной отделки стен возведенных из блоков применяется хорошо всем известная паропроницаемая штукатурка, а также вентилируемые фасады. CLT панели (массив Dominion…
Популярность такого строительного материала как CLT панели для домов в рассрочку легко объяснима, ведь он обладает многими замечательными качествами, среди которых особо…
Если хранить дерево сухим, оно прослужит вечно. Защита от влаги — важнейший принцип сохранения конструктивных особенностей древесины. В сухом состоянии древесина служит…
Концепция дома, полностью созданного из дерева, делает решительный шаг вперёд. Вместо стандартного комбинирования материалов современные технологии позволяют реализовать принцип мономатериала, используя целлюлозные компоненты…