Дървените конструкции в съвременното строителство
Според популярната концепция, дървото е материал, който може да се използва основно в еднофамилни къщи с малка площ и етажност. Дървесината е доказала качествата си в това приложение, но вече все по-често я виждаме и в ролята на градивен материал за по-мащабни проекти. В настоящия материал обръщаме внимание на разнообразните й приложения и качествата, които ги обуславят.
При споменаването на “дървени конструкции” най-често се сещаме за еднофамилни къщи или отделни елементи от жилищни сгради. Наистина това е най-масовото приложение на дървесината като конструктивен материал в света. Причините за тази масова употреба са както икономически, така и физикомеханически. В райони, където иглолистната дървесина изобилства, дървените жилища често се оказват най-изгодното конструктивно решение за малки къщи.
Според популярна класификация, дървените конструкции се делят на няколко основни вида, в зависимост от използваните материали и технологията на изграждане. В тях се използват всички познати форми на дървесианта – от цели стволове, талпи, греди, дъски, през съставни, характеризиращи се с по-големи сечения и дължини, отколкото позволяват естествените размери на дърветата, до елементи създадени от остатъчната дървесина.
Към основните видове дървени конструкции, според популярността и разпространението, когато става дума за жилищно строителство, спадат рамковите, дънерните и тези от дървени панели.
Типичната съвременна къща с рамкова дървена конструкция се строи върху ивични стоманобетонни фундаменти, като директно върху тях се изгражда платформена подова конструкция, свързана към основите посредством анкерни връзки. Над така обособената платформа се разполагат основните носещи елементи – рамки от греди и колони, покрити с шперплат или OSB плоскости.
Особеносите на конструирането ограничават максималната етажност на дървените къщи с рамкова конструкция до три.
Стремежът на повечето производители на дървени къщи е да увеличават броя на стандатризираните елементи от конструкцията, като в това число често е включват не само носещи елементи, но и врати, прозорци и арамтура за сградните инсталации, проектирани така че да се инсталират лесно в дървените конструктивни елементи. Понеже стените на рървените стени са кухи, има възможност за поставяне на допълнителни изолационни материали в тях, спомагайки за подобравяне на условията на вътрешния микроклимат. Тръбите за отопление, водоснабдяване и канализация и кабелите на електрозахранването се полагат лесно в подовите конструкции на отделните етажи.
Дънерните конструкции, познати още като дървени с хоризонтални носещи елементи, са сред най-древните изобщо. В началото те са строени с цели дънери, съединявани помежду си без никакви допълнителни елементи, което от сегашна гледна точка, това звучи почти невероятно. Изумителни са и някои от екстериорните дърворезби, украсяващи тези постройки.
Съвременният вариант на този вид строителство използва модерни технологии, гарантиращи по-голяма бързина на процеса на строителство, повишават качеството на обработка на всеки отделен дънер и осигуряват по-стабилна връзка.
Панелните дървени конструкции, съставени от предварително изготвени елементи са изработени от съставни, слоести дървени плоскости, покривите са с класическа скатна дървна конструкция, а фундаментите са бетонни или стоманобетонни.
Що се отнася до промишленото строителство с дърво, най-разпостраненият вариант на изпълнение на производствени и складови халета са рамковите конструкции от съставени дървени елементи с променливо сечение. Съединяването на елементите обикновено е ставно, а променливото сечение обуславя равномерно разпределение на напреженията от външно натоварване в цялата конструкция.
Дървото има своята история и в строителството на инфраструктурни съоръжения – предимно мостове. Дървени мостове се строят от стотици години, но, разбира се, след масовото навлизане на стоманата и бетона в строителството през 20-и век, дървени конструкции имат предимно къси мостове с малко натоварване. Все пак някои качества на дървото – якост, малко тегло и възможност за поглъщане на енергия го превръщат в много добър избор за някои мостови конструкции. Иглолистната дървесина има способност да поема краткотрайно действащи натоварвания с по-голяма от изчислителната стойност, без това да има пагубен ефект върху поведението на материала. Мостовите конструкции могат да се изграждат при всякакви климатични условия, без да се увреди материала. Устойчивостта му на цикли замръзяване и размръзяване е много голяма, също и устойчивостта на луга и други размъзители на настилки през зимата, които често се оказват разрушителен ефект върху алтернативните мостови конструкции – стоманени и стоманобетонни. Самото изграждане на дървени мостове е опростено и не изисква специална техника или висока квалификация на работниците. Дървените мостови конструкции са предпочитани също заради естетичният им външен вид и сливането с околната природна среда.
Физикомеханични характеристики на дървения материал
Комплексната оценка на физикомеханичните характеристики е основен момент при избора на строителен материал за конкретно приложение. Строителите винаги търсят комбинация от голяма якост, добри топло- и звуко- изолационни качества и дълъг експлоатационен живот. До голяма степен дървесината удовлетворява изискванията им.
Дървото притежава завидни якостни характеристики, при натоварване на натиск, опън и огъване, независимо от посоката на натоварване.
Голямо значение за якостта му има ориентацията на натоварването спрямо посоката на растене на дървото. Якостта при натоварване, успоредно на влакната е приблизително 12.5 MPa, докато при напречно натоварване стойността й се увеличава до 19 MPa. Якостта на дъвения материал силно зависи от водното съдържание. Цитираните стойности се отнасят за изсушена дървесина - 19% относителна влажност.
При дървния материал вероятността за изкълчване е сведена до минимум, чрез стандартните размери на сечението, което го прави много надеждно при натисково натоварване. Не може да не споменем и отношението механична якост/собствено тегло, което е особено благоприятно (по-добро от това на бетона и стоманата), защото дървото е много лек материал.
При конструирането на дървени конструкции трябва задължително да се отчете нехомогенността на дървения материал. Естествената дървесина се характеризира с косовлакност, нееднородност, наличие на чепове и други особености, които намаляват якостта. При употреба на първокачествен дървен материал, конструкцията, естествено, има най-голяма себестойност, но вложените средства са напълно оправдани, защото поведението й е максимално близко до това на идеализирания изчислителен модел. Затова вероятостта за компроментиране на елемента, следствие на несъоветствие между модел и реален елемент е сведена до минимум.
Дървото притежава значителни топлоизолационни свойства, а освен това в сградните дървени конструкции то най-често се комбинира с минерална вата. Това създава условия за пълна липса на топлинни мостове, които са една от основните причини за загуба на топлинна енергия. Добрите топлоизолзционни качества на дървесината се обуславят от неговата естествена клетъчна структура. Освен поддържането на добра температура, дървото влияе благоприятно и на другите показатели на вътрешния микроклимат – влажност и шум. То притежава свойството да намалява влажността на въздуха, когато той е прекалено тежък и да отделя погълнатите водни пари, когато въздухът е твърде сух, правейки го приятен и здравословен.
Когато става въпрос за пожарната безопасност, на дървените конструкции традиционно не се гледа като на надежден избор. Но с новите технологии за обработка на дървесината, този предрасъдък остава в миналото. При производството на отделните компоненти се добавят съставки, които правят дървото особено устойчиво на огнево въздействие. По подобен начин, чрез химическа обработка, се предотвратяват и проблемите, свързани с гниенето на гървесината и дървоядите.
Противно на популярното схващане, големите дървени структурни елементи осигуряват добра устойчивост на огнево въздействие, превишаваща тази на много други материали, дори и без химическа обработка. При възникване на евентуален пожар дървеният материал запазва якостта си много по-дълго, отколкото стоманата и бетона, например. Безспорно, те са негорими, но под въздействието на огън относително бързо променят якостните си свойства. При дървото възможността за запалване е по-голяма, но в процеса на горене образувалият се повърхностен слой въглен значително затруднява разпространението на огъня към сърцевината на конструктивния елемент.
Сеизмично поведение
Сеизмичната устойчивост на дървените рамкови конструкции е сравнително висока, когато материалите, от които е изготвена да с добро качество и изпълнението е професионално.
Сградите са с малко собствено тегло, особено в сравнение с тези от стоманобетон или тухли, което помага за намаляване на ефекта от сейзмичното въздействие върху конструкцията. Някои технологични особености при изграждането на дървени рамкови сгради също помагат за по-добра устойчивост – те имат сравнително голям брой стени и много връзки с пирони. Това ги прави надеждни и безопасни по време на земни трусове. Сеизмичното поведение на дървените къщи често се подобрява и от неносещите елементи, който увеличават дисипативната енергия на сградата, поглъщащи енергия при деформирането си.
За сеизмичното поведение на сградата от особена важност е връзката на дървената конструкция с фундаментите. Ако тази връзка не е изпълнена добре, по време на земетресение дървената конструкция може да се отдели от фундамента, причинявайки структурни щети и евентуално скъсване на комуникации.
Друг ключов момент, на който трябва да се обърне особено внимание при конструирането и изпълнението, са връзките между носещите елементи. Независимо дали става дума за носещи греди и колони или панели, те трябва да съединят така, чер да удовлетворяват изискванията за дуктилност и устойчивост на динамично натоварване.
Покривът също оказва влияние върху поведението на сградата при земетръс. Когато избраните покривни материали са с относително голямо собствено тегло, те могат да доведат до разрушения дори в най-добре изпълнената носеща конструкция. Най-скорошното доказателство за това е земетресението в Кобе, Япония през 1995г., когато стотици дървени жилища са разрушени именно поради прекалено тежки покриви.
